(57)【要約】  燃料電池システムであって、制御部は、当該燃料電池システムのシステム停止時の停止前処理として、第１のガス供給機構によってカソードに燃料ガスを含む第１のガスを供給させ、アノードとカソードに残留するガスのうち、少なくとも燃料ガスの分圧の差が所定値以下となる第１の場合に、第１のガス供給機構に第１のガスの供給を停止させる。
2011042932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する第１の燃料電池と、
前記カソードに燃料ガスを含む第１のガスを供給する第１のガス供給機構と、
当該燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
当該燃料電池システムのシステム停止時の停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって前記カソードに前記第１のガスを供給させ、
前記アノードと前記カソードに残留するガスのうち、少なくとも燃料ガスの分圧の差が所定値以下となる第１の場合に、前記第１のガス供給機構に前記第１のガスの供給を停止させる、
燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池システムであって、
電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する第１の燃料電池と、
前記カソードに燃料ガスを含む第１のガスを供給する第１のガス供給機構と、
当該燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
当該燃料電池システムのシステム停止時の停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって前記カソードに前記第１のガスを供給させ、
前記アノードと前記カソードに残留する窒素と燃料ガスについて、前記アノードと前記カソード間のガス成分毎の分圧の差がそれぞれ所定値以下となる第２の場合に、前記第１のガス供給機構に前記第１のガスの供給を停止させる、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記アノードへの燃料ガスの供給及び排出を行うアノードガス給排系と、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記カソードへの酸化剤ガスの供給及び排出を行うカソードガス給排系と、を備え
前記第１のガス供給機構は、
前記第１の燃料電池に所定の電圧を印加する第１の電源部を有し、
前記制御部は、
前記停止前処理として、前記カソードガス給排系による前記酸化剤ガスの前記カソードへの供給を停止させた後に、
前記アノードガス給排系による前記燃料ガスの前記アノードへの供給を継続させた状態で、前記第１の電源部によって前記燃料電池に所定の電圧を印加させることで、前記第１のガスとしての前記燃料ガスを前記第１のガス供給機構により前記カソードに供給させる、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記カソードに残留する酸素の濃度を前記停止処理前の状態よりも低下させる第１の運転モードを備え、
前記制御部は、
前記第１のガス供給機構によって前記カソードに前記第１のガスを供給させる前に、第１の運転モードによって、前記カソードに残留する酸素の濃度を、前記停止前処理を開始する前よりも低い所定の状態とする、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記第１のガス供給機構による前記カソードへの前記第１のガスの供給は、前記制御部が前記第１の燃料電池に対し、通常発電時に前記カソードに供給される酸化剤ガスのストイキ比よりも小さいストイキ比によって発電を行わせることで行う、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の燃料電池の発電部の温度に関する値を検出する温度検出部を備え、
前記制御部は、
前記温度検出部に基づく前記第１の燃料電池の発電部の温度が０℃より高い場合は、前記停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって前記第１のガスを前記カソードに供給させ、
前記温度検出部に基づく前記発電部の温度が０℃以下である場合は、前記第１のガス供給機構によって前記第１のガスを前記カソードに供給させることなく当該燃料電池システムを停止させる、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１のガス供給機構は、さらに、
前記停止前処理の処理中に前記カソードから排出される第１の排ガスのうちの少なくとも一部を第１のガスとして前記カソードに再び供給する第１のガス循環機構を備える、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記第１のガス循環機構は、さらに、
前記第１の排ガス中から燃料ガスを分離する燃料ガス分離機構を有し、
前記第１のガス循環機構により前記カソードに供給されるガスは、前記燃料ガス分離機構によって分離された燃料ガスである、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス分離機構は、さらに、
電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池に所定の電圧を印加する第２の電源部と、を有し、
前記制御部は、
前記第２の電源部によって前記第２の燃料電池に所定の電圧を印加させることで、前記第２の燃料電池によって前記第１の排ガスに含まれる燃料ガスを分離させる、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記第１のガス供給機構は、さらに、
前記第１のガスを前記アノードに供給するアノード供給機構を有し、
前記制御部は、
前記停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって、前記カソードに加え前記アノードに対しても前記第１のガスを供給させる、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記第１のガス供給機構は、さらに、
前記アノード及び前記カソードに供給された前記第１のガスのうち、前記カソード及び前記アノードから排出された排ガスを混合し、再び前記第１のガスとして前記アノード及び前記カソードに供給する排ガス循環機構を有する、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記アノードへの燃料ガスの供給及び排出を行うアノードガス給排系と、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記カソードへの酸化剤ガスの供給及び排出を行うカソードガス給排系と、を備え、
前記第１のガスは、
前記制御部が前記アノード給排系及び前記カソード給排系による燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止させた後に、前記アノード給排系及び前記カソード給排系に残留するガスを混合させた混合ガスである、
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードの電極電位を前記停止処理前の状態よりも低下させる電位処理機構を備え、
前記制御部は、
前記第１のガス供給機構によって、前記アノード及び前記カソードに前記第１のガスを供給させる前に、前記電位処理機構によって、前記カソードの電極電位が前記停止前処理を行う前よりも低い所定の状態となるように処理させる、
燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池システムであって、
前記電位処理機構は、さらに、
前記アノード給排系に残留するアノード残留ガスを、前記カソードに供給するアノード残留ガス供給機構を有し、
前記制御部は、
前記アノード残留ガス供給機構によって、前記アノード残留ガスを前記カソードに供給させ、前記カソードに残留する酸素を前記カソードの外部に排出させることで前記所定の状態となるように処理させる、
燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記アノードへの燃料ガスの供給及び排出を行うアノードガス給排系と、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記カソードへの酸化剤ガスの供給及び排出を行うカソードガス給排系と、
前記アノード給排系のガスの圧力を調整する圧力調整部と、を備え、
前記第１のガス供給機構は、
前記アノードガス給排系と前記カソードガス給排系とを連通させるバイバス流路と、
前記バイパス流路に設けられた第１の機構であって、前記パイパス流路のうち前記アノードガス給排系側の圧力が所定値以上となった場合に前記バイバス流路を連通状態とし、前記アノードガス給排系側の圧力が所定値未満となった場合に前記バイパス流路を非連通状態とする第１の機構と、を有し、
前記第１のガス供給機構による前記カソードへの前記第１のガスの供給は、前記制御部が、前記アノードガス給排系による燃料ガスの供給を継続させた状態で、前記カソードガス給排系による前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給を停止させると共に、
前記圧力調整部によって前記燃料ガス給排系が所定値以上の圧力になるように設定させて、前記バイパス流路を前記連通状態とし、前記第１のガスとしての燃料ガスを前記バイパス流路から前記カソードガス給排系に導入することで行う、
燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池システムであって、
前記第１の機構はリリーフ弁である、
燃料電池システム。
【請求項１７】
電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する燃料電池を備えた燃料電池システムを停止するための方法において、
前記カソードに燃料ガスを含む第１のガスを供給し、
前記アノードと前記カソードに残留するガスのうち、少なくとも前記アノードと前記カソード間の燃料ガスの分圧の差が所定値以下となった後に、前記第１のガスの供給を停止させる、
燃料電池システムの停止方法。
【請求項１８】
電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する燃料電池を備えた燃料電池システムを停止するための方法において、
前記カソードに燃料ガスを含む第１のガスを供給し、
前記アノードと前記カソードに残留する窒素と燃料ガスの各ガス成分について、前記アノードと前記カソード間のガス成分毎の分圧差が、それぞれ所定値以下となった後に、第１のガスの供給を停止させる、
燃料電池システムの停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を備える燃料電池システムは、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、空気）を燃料電池に供給して電気化学反応によって発電を行う。燃料電池システムのシステム停止時には、燃料ガスと酸化剤ガスの燃料電池への供給が停止される。従来、システム停止後に、燃料電池の外部からカソードに空気が混入すると共に、該空気の一部が電解質膜を透過しアノードに混入することで、カソードの電極電位が上昇し、カソードを構成するカソード構成部材（例えば、ガス拡散層などのカーボンや触媒担体として用いられるカーボン）が酸化する場合があった。【０００３】
このような問題に対して、燃料電池システムのシステム停止時に、水素を供給することで、カソードに水素を充填する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４７２５０号公報
【特許文献２】特許第４０２８３６３号公報
【特許文献３】特表２００３−５０４８０７号公報
【特許文献４】特開２００６−６６１０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、カソードに水素を充填する場合であっても、システム停止後から時間が経過するにつれ、燃料電池の外部からカソードに空気が混入し、該空気がさらに燃料電池の電解質膜を透過してアノードへ混入する場合があった。これにより、カソード構成部材が酸化する場合があった。【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、燃料電池システムのシステム停止後にカソード構成部材が酸化することを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。【０００８】
［適用例１］燃料電池システムであって、電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する第１の燃料電池と、前記カソードに燃料ガスを含む第１のガスを供給する第１のガス供給機構と、当該燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、当該燃料電池システムのシステム停止時の停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって前記カソードに前記第１のガスを供給させ、前記アノードと前記カソードに残留するガスのうち、少なくとも燃料ガスの分圧の差が所定値以下となる第１の場合に、前記第１のガス供給機構に前記第１のガスの供給を停止させる、燃料電池システム。
適用例１の燃料電池システムによれば、第１の場合に、第１のガスの供給を停止させるため、システム停止後において、アノードとカソード（以下、「両極」ともいう。）との間の燃料ガスの分圧差を駆動力とする燃料ガスの電解質膜の透過を抑制することができる。これにより、カソードの全圧の変動幅を低減でき、燃料電池の外部からカソードに空気が混入することを抑制することができる。よって、システム停止後におけるカソード構成部材の酸化を抑制することができる。なお、アノード及びカソードに残留するガス成分が燃料ガスのみである場合、ここでいう分圧は、全圧を意味するものとする。【０００９】
［適用例２］燃料電池システムであって、電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する第１の燃料電池と、前記カソードに燃料ガスを含む第１のガスを供給する第１のガス供給機構と、当該燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、当該燃料電池システムのシステム停止時の停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって前記カソードに前記第１のガスを供給させ、前記アノードと前記カソードに残留する窒素と燃料ガスについて、前記アノードと前記カソード間のガス成分毎の分圧の差がそれぞれ所定値以下となる第２の場合に、前記第１のガス供給機構に前記第１のガスの供給を停止させる、燃料電池システム。
適用例２の燃料電池システムによれば、第２の場合に、第１のガスの供給を停止させるため、システム停止後において、両極間における窒素と燃料ガスの分圧差をそれぞれ駆動力とする窒素と燃料ガスの電解質膜の透過を抑制することができる。これにより、カソードの全圧の変動幅をより低減でき、燃料電池の外部からカソードに空気が混入することをより抑制することができる。よって、燃料電池システムのシステム停止後におけるカソード構成部材の酸化をより抑制することができる。【００１０】
［適用例３］適用例１又は適用例２に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記アノードへの燃料ガスの供給及び排出を行うアノードガス給排系と、前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記カソードへの酸化剤ガスの供給及び排出を行うカソードガス給排系と、を備え、前記第１のガス供給機構は、前記第１の燃料電池に所定の電圧を印加する第１の電源部を有し、
前記制御部は、前記停止前処理として、前記カソードガス給排系による前記酸化剤ガスの前記カソードへの供給を停止させた後に、前記アノードガス給排系による前記燃料ガスの前記アノードへの供給を継続させた状態で、前記第１の電源部によって前記燃料電池に所定の電圧を印加させることで、前記第１のガスとしての前記燃料ガスを前記第１のガス供給機構により前記カソードに供給させる、燃料電池システム。
適用例３の燃料電池システムによれば、アノードに供給された水素を電気化学的にカソードに供給するため、電解質膜を介してカソード全域に均一に第１のガスを供給することができる。【００１１】
［適用例４］適用例３に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記カソードに残留する酸素の濃度を前記停止処理前の状態よりも低下させる第１の運転モードを備え、
前記制御部は、前記第１のガス供給機構によって前記カソードに前記第１のガスを供給させる前に、第１の運転モードによって、前記カソードに残留する酸素の濃度を、前記停止前処理を開始する前よりも低い所定の状態とする、燃料電池システム。
適用例４の燃料電池システムによれば、さらに、第１のガス供給機構によりカソードに供給された燃料ガスが、カソード触媒上で酸素と反応し燃焼することを抑制することができる。【００１２】
［適用例５］適用例１又は適用例２に記載の燃料電池システムであって、前記第１のガス供給機構による前記カソードへの前記第１のガスの供給は、前記制御部が前記第１の燃料電池に対し、通常発電時に前記カソードに供給される酸化剤ガスのストイキ比よりも小さいストイキ比によって発電を行わせることで行う、燃料電池システム。
適用例５の燃料電池システムによれば、酸化剤ガスのストイキ比を通常運転時よりも小さい状態とするだけで、第１のガスをカソードに容易に供給することができる。【００１３】
［適用例６］適用例５に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１の燃料電池の発電部の温度に関する値を検出する温度検出部を備え、
前記制御部は、前記温度検出部に基づく前記第１の燃料電池の発電部の温度が０℃より高い場合は、前記停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって前記第１のガスを前記カソードに供給させ、前記温度検出部に基づく前記発電部の温度が０℃以下である場合は、前記第１のガス供給機構によって前記第１のガスを前記カソードに供給させることなく当該燃料電池システムを停止させる、燃料電池システム。
本発明者らは、燃料電池の発電部の温度が０℃以下の条件下で、通常発電時よりも小さい酸化剤ガスのストイキ比で燃料電池を発電させると、カソードを構成するカソード触媒層の性能が低下することを見出した。一方で、発電部の温度が０℃以下の場合、カソードの電極電位が上昇した場合でもカソード構成部材の酸化を抑制することができる。よって、適用例６の燃料電池システムによれば、発電部の温度によってカソードに第１のガスを供給するかどうかを決定することで、カソード触媒層の性能の低下を抑制すると共に、カソード構成部材の酸化を抑制することができる。【００１４】
［適用例７］適用例１乃至適用例６のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、前記第１のガス供給機構は、さらに、前記停止前処理の処理中に前記カソードから排出される第１の排ガスのうちの少なくとも一部を第１のガスとして前記カソードに再び供給する第１のガス循環機構を備える、燃料電池システム。
適用例７の燃料電池システムによれば、第１のガスを有効に利用することができる。【００１５】
［適用例８］適用例７に記載の燃料電池システムであって、前記第１のガス循環機構は、さらに、前記第１の排ガス中から燃料ガスを分離する燃料ガス分離機構を有し、前記第１のガス循環機構により前記カソードに供給されるガスは、前記燃料ガス分離機構によって分離された燃料ガスである、燃料電池システム。
適用例８の燃料電池システムによれば、カソードにより多くの燃料ガスを供給することができ。カソードの燃料ガスの分圧を効率よく上昇させることができる。【００１６】
［適用例９］適用例８に記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガス分離機構は、さらに、電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する第２の燃料電池と、前記第２の燃料電池に所定の電圧を印加する第２の電源部と、を有し、
前記制御部は、前記第２の電源部によって前記第２の燃料電池に所定の電圧を印加させることで、前記第２の燃料電池によって前記第１の排ガスに含まれる燃料ガスを分離させる、燃料電池システム。
適用例９の燃料電池システムによれば、電気化学的な処理により第１の排ガス中から燃料ガスを効率良く分離することができる。【００１７】
［適用例１０］適用例１又は適用例２に記載の燃料電池システムであって、前記第１のガス供給機構は、さらに、前記第１のガスを前記アノードに供給するアノード供給機構を有し、
前記制御部は、前記停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって、前記カソードに加え前記アノードに対しても前記第１のガスを供給させる、燃料電池システム。
適用例１０の燃料電池システムによれば、カソードとアノードに同一組成の第１のガスを供給することで、カソードとアノードの残留ガスの分圧差を第１の場合、又は、第２の場合に容易に到達させることができる。【００１８】
［適用例１１］適用例１０に記載の燃料電池システムであって、前記第１のガス供給機構は、さらに、前記アノード及び前記カソードに供給された前記第１のガスのうち、前記カソード及び前記アノードから排出された排ガスを混合し、再び前記第１のガスとして前記アノード及び前記カソードに供給する排ガス循環機構を有する、燃料電池システム。
適用例１１の燃料電池システムによれば、第１のガスを有効に利用することができる。【００１９】
［適用例１２］適用例１１に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記アノードへの燃料ガスの供給及び排出を行うアノードガス給排系と、前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記カソードへの酸化剤ガスの供給及び排出を行うカソードガス給排系と、を備え、
前記第１のガスは、前記制御部が前記アノード給排系及び前記カソード給排系による燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止させた後に、前記アノード給排系及び前記カソード給排系に残留するガスを混合させた混合ガスである、燃料電池システム。
適用例１２の燃料電池システムによれば、アノード給排系及びカソード給排系に残留するガスを第１のガスとして用いることから、通常発電時に用いる反応ガスとは別に、新たに第１のガスを用意する必要がなくなる。【００２０】
［適用例１３］適用例１２に記載の燃料電池システムであって、前記カソードの電極電位を前記停止処理前の状態よりも低下させる電位処理機構を備え、前記制御部は、前記第１のガス供給機構によって、前記アノード及び前記カソードに前記第１のガスを供給させる前に、前記電位処理機構によって、前記カソードの電極電位が前記停止前処理を行う前よりも低い所定の状態となるように処理させる、燃料電池システム。
適用例１３の燃料電池システムによれば、カソード給排系及びアノード給排系に残留するガスを第１のガスとしてアノードとカソードに循環させる場合に生じ得るカソードの異常電位の発生を抑制することができる。ここで、「異常電位」とは、通常発電時よりもカソードの電極電位が上昇し、カソード形成部材の酸化が進行し得るレベルまで高くなった電極電位をいう。【００２１】
［適用例１４］適用例１３に記載の燃料電池システムであって、前記電位処理機構は、さらに、前記アノード給排系に残留するアノード残留ガスを、前記カソードに供給するアノード残留ガス供給機構を有し、
前記制御部は、前記アノード残留ガス供給機構によって、前記アノード残留ガスを前記カソードに供給させ、前記カソードに残留する酸素を前記カソードの外部に排出させることで前記所定の状態となるように処理させる、燃料電池システム。
適用例１４の燃料電池システムによれば、カソードに残留する酸素をカソードから排出させるためのガスを新たに用意する必要がなく、アノード残留ガスを有効に利用して電極電位を低下させることができる。【００２２】
［適用例１５］適用例１又は適用例２に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記アノードへの燃料ガスの供給及び排出を行うアノードガス給排系と、前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記カソードへの酸化剤ガスの供給及び排出を行うカソードガス給排系と、前記アノード給排系のガスの圧力を調整する圧力調整部と、を備え、
前記第１のガス供給機構は、前記アノードガス給排系と前記カソードガス給排系とを連通させるバイバス流路と、前記バイパス流路に設けられた第１の機構であって、前記パイパス流路のうち前記アノードガス給排系側の圧力が所定値以上となった場合に前記バイバス流路を連通状態とし、前記アノードガス給排系側の圧力が所定値未満となった場合に前記バイパス流路を非連通状態とする第１の機構と、を有し、
前記第１のガス供給機構による前記カソードへの前記第１のガスの供給は、前記制御部が、前記アノードガス給排系による燃料ガスの供給を継続させた状態で、前記カソードガス給排系による前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給を停止させると共に、前記圧力調整部によって前記燃料ガス給排系が所定値以上の圧力になるように設定させて、前記バイパス流路を前記連通状態とし、前記第１のガスとしての燃料ガスを前記バイパス流路から前記カソードガス給排系に導入することで行う、燃料電池システム。
適用例１５の燃料電池システムによれば、アノードガス給排系の圧力を上昇させることで容易に第１の燃料ガスとしての燃料ガスをカソードに供給することができる。【００２３】
［適用例１６］適用例１５に記載の燃料電池システムであって、前記第１の機構はリリーフ弁である、燃料電池システム。
適用例１５の燃料電池システムによれば、停止前処理時の制御を単純にすることができる。【００２４】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの停止方法、その停止方法をコンピュータに実行させるためのプログラム、そのプログラムが記憶された記憶媒体、燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施例を適用した燃料電池システム１００を搭載する電気自動車の全体構成図である。
【図２】停止前処理の第１の態様を示すフローチャートである。
【図３】停止前処理の第２の態様を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施例を適用した燃料電池システム１００ａを搭載する電気自動車の全体構成図である。
【図５】停止前処理の第３の態様を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第３実施例を適用した燃料電池システム１１０を搭載する電気自動車の全体構成図である。
【図７】停止前処理の第４の態様を示すフローチャートである。
【図８】カソード電極電位毎の、単セル温度とＣＯ2濃度の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第４実施例を適用した燃料電池システム１１０ａを搭載する電気自動車の全体構成図である。
【図１０】停止前処理の第５の態様を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第５実施例を適用した燃料電池システム１２０を搭載する電気自動車の全体構成図である。
【図１２】停止前処理の第６の態様を示すフローチャートである。
【図１３】停止前処理の第７の態様を示すフローチャートである。
【図１４】第１変形例の燃料電池システム１２０ａの構成を示す図である。
【図１５】停止前処理の第８の態様を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第６実施例を適用した燃料電池システム１３０を搭載する電気自動車の全体構成図である。
【図１７】停止前処理の第９の態様を示すフローチャートである。
【図１８】第１の変形態様の燃料電池システム１３０ａを搭載する電気自動車の全体構成図である。
【図１９】停止前処理の第１０の態様を示すフローチャートである。
【図２０】停止前処理の第１１の態様を示すフローチャートである。
【図２１】第３の変形態様を適用した燃料電池システム１４０を搭載する電気自動車の全体構成図である。
【図２２】停止前処理の第１２の態様を示すフローチャートである。
【図２３】停止前処理の第１３の態様を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．第１実施例の構成：
図１は、本発明の第１実施例を適用した燃料電池システム１００を搭載する電気自動車の全体構成図である。図示するように、この電気自動車に搭載される燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス給排系２０と、酸化剤ガス給排系３０と、冷却水系４０と、負荷接続部４５と、制御部５００とを備えている。また、この電気自動車は、燃料電池システム１００の他に、インバータ４００と、モータ４１０と、二次電池２００と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００とを備える。
【００２７】
燃料電池スタック１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池単セルが複数積層された構成を有する。詳細には、燃料電池スタック１０は、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水の流路を有するセパレータ及び一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（膜−電極接合体：Membrane Electrode Assembly）から構成される単セルを複数積層したスタック構造となっている。ＭＥＡは固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ。）をアノード（燃料極）及びカソード（空気極）の二つの電極により挟み込んだ構造をしている。
【００２８】
燃料電池スタック１０は、燃料ガスとしての水素がアノードに供給され、酸化剤ガスとしての空気がカソードに供給される。これにより、水素と空気中の酸素が各電極において電気化学反応を起こすことによって発電を行う。燃料電池スタック１０により発電された電力は、インバータ４００に供給され、交流電力に変換され車両駆動用のモータ４１０に供給される。また、二次電池２００は、燃料電池スタック１０の発電電力に余剰がある場合は、蓄電を行い、発電電力に不足がある場合は、インバータ４００へ放電を行う。さらに、二次電池２００は、燃料電池スタック１０に電圧を印加するための外部電源としても用いることができる。燃料電池スタック１０には、各単セルの電圧を検出するための複数の電圧センサＶＭ１が設けられている。ここで、燃料電池スタック１０が課題を解決するための手段に記載の「第１の燃料電池」に相当する。
【００２９】
アノードは、高分子電解質膜の一方の面上にアノード触媒層とアノードガス拡散層とがこの順番で配置されている。カソードも同様に、他方の面上にカソード触媒層とカソードガス拡散層とがこの順番で配置されている。アノード触媒層及びカソード触媒層は、触媒を担持した材料で形成されている。例えば、触媒としての白金を担持したカーボンブラックと、高分子電解質とを混ぜた材料により形成することができる。アノードガス拡散層及びカソードガス拡散層は、ガス透過性を有するとともに導電性の良好な材料で形成される。このような材料としては、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いて形成することができる。
【００３０】
燃料ガス給排系２０は、燃料ガスとしての水素を燃料電池スタック１０に供給すると共に、燃料電池スタック１０から排出された排出燃料ガスをアノードへ再供給する機能及び排出燃料ガスを燃料電池システム１００の外部へ排出する機能を有する。
【００３１】
燃料ガス給排系２０は、燃料ガス供給源（燃料ガスタンク）２１と、燃料ガス供給配管２２と、燃料ガス循環配管２４と、燃料ガス排出配管２８とを、主に備える。燃料ガスタンク２１は、高圧の燃料ガスを貯蔵するボンベである。燃料ガスタンク２１は、遮断弁Ｖ１を備える。燃料ガス供給配管２２の一端は、燃料ガスタンク２１に接続され、他端は燃料電池スタック１０（詳細には、図示しない燃料電池スタック１０の燃料ガス供給口）に接続されている。燃料電池スタック１０の燃料ガス供給口は、燃料電池スタック１０内に形成されたマニホールド（図示せず）を介して単セル内の燃料ガス流路に連通されている。
【００３２】
燃料ガス供給配管２２には、調圧バルブＶ２が設けられている。制御部５００からの指示にしたがって、遮断弁Ｖ１が開閉されることにより、燃料ガスタンク２１は、燃料ガス供給配管２２への燃料ガスの放出及び放出停止を行う。燃料ガスタンク２１から燃料ガス供給配管２２に放出された燃料ガスは、調圧バルブＶ２により所定圧力に調圧されて燃料電池スタック１０へ供給される。
【００３３】
燃料ガス循環配管２４の一端は、燃料電池スタック１０の燃料ガス排出口（図示せず）に接続され、その他端は燃料ガス供給配管２２に接続されている。燃料ガス循環配管２４には、圧力センサＰ１と、水素濃度計Ｄ１と、気液分離器２５と、燃料ガス循環ポンプ２６とが設けられている。圧力センサＰ１は、燃料ガス循環配管２４の内圧を検出する。水素濃度計Ｄ１は、燃料ガス循環配管２４内に存在する循環ガス中の水素濃度を検出する。また、本実施例では、圧力センサＰ１により検出した内圧を燃料電池スタック１０のアノード内の圧力（以下、「アノード全圧」とも呼ぶ。）として用い、水素濃度計Ｄ１により検出した水素濃度をアノード内の水素濃度として用いて、後述する停止前処理に利用している。アノードから排出された排出燃料ガスは、燃料ガス循環ポンプ２６を作動させることで、燃料ガス供給配管２２に導入され、再び燃料ガスとして燃料電池スタック１０の電気化学反応に利用される。気液分離器２５は、燃料排ガスに含まれる余分な水分を除去して、供給用の燃料ガスとしての再生を図っている。
【００３４】
燃料ガス排出配管２８は、燃料電池スタック１０から排出された排出燃料ガスの一部を燃料電池システム１００の外部へ排出するために用いられる。燃料ガス排出配管２８の一端は、気液分離器２５に接続され、他端は後述する希釈器３７に接続されている。燃料ガス排出配管２８には、排気弁Ｖ３が設けられている。排気弁Ｖ３は、通常は閉じられているが、所定のタイミングで開弁することで、排出燃料ガスを希釈器３７に導入する。さらに、希釈器３７に導入された排出燃料ガスは、配管３４及びマフラ３８を通って外部へ排出される。このように排出燃料ガスの一部を燃料電池システム１００の系外に排出することで、燃料電池スタック１０を循環する排出燃料ガス中の不純物（電解質膜を介してカソードからアノードへ移動した空気中の窒素等）の濃度の上昇を抑えている。さらに、後述する停止前処理のアノードのガス分圧又はアノード全圧を調整するために排気弁Ｖ３の開閉が行われる。
【００３５】
酸化剤ガス給排系３０は、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１０に供給すると共に、燃料電池スタック１０から排出された排出酸化剤ガスを燃料電池システム１００の外部へ排出する機能を有する。
【００３６】
酸化剤ガス給排系３０は、酸化剤ガス供給配管３２と、酸化剤ガス排出配管３３と、を主に備える。酸化剤ガス供給配管３２の一端は、燃料電池システム１００の外部に存在する大気に開放され、他端は燃料電池スタック１０（詳細には、図示しない燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給口）に接続されている。燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給口は、燃料電池スタック１０内に形成されたマニホールド（図示せず）を介して単セル内の酸化剤ガス流路に連通されている。
【００３７】
酸化剤ガス供給配管３２には、エアコンプレッサ３６が設けられている。エアコンプレッサ３６は、エアクリーナ（図示せず）から酸化剤ガス供給配管３２に取り込んだ酸化剤ガス（空気）を圧縮する。圧縮された酸化剤ガスは燃料電池スタック１０へ供給される。
【００３８】
酸化剤ガス排出配管３３の一端は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス排出口（図示せず）に接続され、他端は希釈器３７に接続されている。酸化剤ガス排出配管３３には、圧力センサＰ２と、水素濃度計Ｄ２と、弁Ｖ４とが設けられている。圧力センサＰ２は、酸化剤ガス排出配管３３の内圧を検出する。水素濃度計Ｄ２は、酸化剤ガス排出配管３３内に存在する排出酸化剤ガス中の水素濃度を検出する。また、本実施例では、圧力センサＰ２により検出した内圧を燃料電池スタック１０のカソード内の圧力（以下、「カソード全圧」とも呼ぶ。）として用い、水素濃度計Ｄ２により検出した水素濃度をカソード内の水素濃度として用いることで、後述する停止前処理に利用している。カソードから排出された排出酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出配管３３を通って希釈器３７に導入される。
【００３９】
希釈器３７は、排出酸化剤ガスと、上述の所定のタイミングで希釈器３７に導入された排出燃料ガスとを混合し混合排ガスとする。これにより、混合ガス中の水素を希釈し、水素濃度を低減させる。希釈器３７から排出された混合排ガスは、配管３４を通ってマフラ３８に到達し、マフラ３８から燃料電池システム１００の外部へ排出される。
【００４０】
燃料電池スタック１０への酸化剤ガスの供給量は、エアコンプレッサ３６の回転数と、弁Ｖ４の開閉状態を制御部５００により制御することで調整することができる。
【００４１】
冷却水系４０は、冷却媒体としての冷却水を燃料電池スタック１０に供給することで、燃料電池スタック１０の温度を適正に保つ機能を有する。冷却水系４０は、冷却水配管４２とラジエータ４４と、を備える。冷却水配管４２には、循環ポンプ４６と温度センサＴ１とが設けられている。冷却水は、冷却水配管４２を介して循環ポンプ４６によって燃料電池スタック１０とラジエータ４４との間を循環する。これにより、燃料電池スタック１０で電気化学反応に伴う発熱を吸収し、ラジエータ４４で吸収した熱を放熱する。温度センサＴ１は、冷却水配管４２の部分のうち、冷却水が燃料電池スタック１０から排出される側付近に設けられている。温度センサＴ１は、冷却水の温度を検出する。この検出された冷却水の温度は、燃料電池スタック１０の発電部の温度として用いることで、後述する停止前処理に利用している。
【００４２】
負荷接続部４５は、制御部５００の指示に従ってスイッチＳＷ１、ＳＷ２のＯＮ，ＯＦＦを制御することで後述する二次電池２００、インバータ４００、燃料電池スタック１０の電気的接続を行う装置である。
【００４３】
制御部５００は、各種センサ６１０からの信号や燃料電池スタック１０に対する負荷要求に関する情報が入力されて、各種アクチュエータ６００に駆動信号を出力し、燃料電池システム１００の運転全体を制御する。制御部５００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成されている。制御部５００は、ＣＰＵ５０２と、ＲＯＭ５０４と、ＲＡＭ５０６と、インタフェース５０８とを備えている。ＣＰＵ５０２は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行する。ＲＯＭ５０４は、ＣＰＵ５０２で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等を格納する。ＲＡＭ５０６は、ＣＰＵ５０２で各種演算処理を行うのに必要な各種データが一時的に読み書きされる。インタフェース５０８は、各種アクチュエータ６００や各種センサ６１０と制御部５００とを制御用信号線を介して接続している。ここで、各種アクチュエータ６００としては、具体的には、遮断弁Ｖ１、調圧バルブＶ２、燃料ガス循環ポンプ２６、排気弁Ｖ３、弁Ｖ４、エアコンプレッサ３６、負荷接続部４５等が挙げられる。また、各種センサ６１０としては、具体的には、圧力センサＰ１，Ｐ２、水素濃度計Ｄ１，Ｄ２、温度センサＴ１、電圧センサＶＭ１等が挙げられる。
【００４４】
また、制御部５００は、燃料電池システム１００の運転だけでなく、電気自動車の運転全体も制御するものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００やインバータ４００に制御信号を出力している。
【００４５】
燃料電池スタック１０の通常発電時は、遮断弁Ｖ１、調圧バルブＶ２が開状態となり水素がアノードに供給されると共に、燃料ガス循環ポンプ２６が作動し、排出燃料ガスが燃料ガス供給配管２２に導入され再利用されている。また、エアコンプレッサ３６が作動し、酸化剤ガスがカソードに供給されると共に、弁Ｖ４が開状態となり、排出酸化剤ガスが外部へ排出される。また、循環ポンプ４６が作動し、冷却水が燃料電池スタックに循環供給されている。また、通常発電時は、負荷接続部４５のスイッチＳＷ１,ＳＷ２がＯＮとなり、少なくともインバータ４００に発電電力が供給される。ここで、通常発電時とは、所定量の燃料ガス及び酸化剤ガスが燃料電池スタック１０に供給されることで、燃料電池スタック１０によって定常的に発電が行われ、インバータ４００等の外部負荷に電力を供給している状態を指す。また、システム停止時には、燃料電池スタックの発電が停止され、燃料電池スタック１０への燃料ガス、酸化剤ガスの供給が停止されると共に、冷却水の循環や燃料ガス循環ポンプ２６による排出燃料ガスの循環が停止される。さらに、システム全体の電源がＯＦＦとなる。なお、「燃料電池スタックの発電停止」とは、外部負荷としての二次電池２００及びインバータ４００との電気的接続が遮断され、外部負荷への電力の出力がＯＦＦになった状態をいう。
【００４６】
Ａ−２．第１実施例の停止前処理：
Ａ−２−１．停止前処理の第１の態様
図２は、第１実施例の制御部５００によって実行される停止前処理の第１の態様（以下、「第１の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。ユーザが、車両を停止してイグニッションスイッチ（以下、「ＩＧスイッチ」ともいう。）をＯＦＦしたときに、ＩＧスイッチＯＦＦ信号が制御部５００に入力される（ステップＳ１００）。なお、停止前処理の開始前には、カソードには主に窒素と酸素が残留し、アノードには主に水素と窒素が残留している。酸化剤ガスとして空気を使用した場合、通常運転停止後にカソードに残留するガス中の窒素と酸素のモル分率は、例えば窒素が約０．８、酸素が約０．２となり、酸素よりも窒素の濃度が高く、分圧についても酸素分圧よりも窒素分圧が高い状態にある。また、アノードに残留するガス中の窒素と水素のモル分率は、例えば窒素が約０．２、水素が約０．８となり、窒素よりも水素の濃度が高く、分圧についても窒素分圧よりも水素分圧が高い状態にある。本明細書に記載する他の停止前処理についても、停止前処理の開始前のアノード及びカソードのガス濃度及びガス分圧は、本態様と同様のものとする。なお、第１の停止前処理において、制御部５００は、ＩＧスイッチＯＦＦ信号が入力されると、負荷接続部４５のスイッチＳＷ１をＯＦＦにし、インバータ４００との電気的接続を遮断する。この場合、ＳＷ２はＯＮ状態に維持されている。
【００４７】
また、ステップＳ１００の後に、制御部５００は、エアコンプレッサ３６の作動を停止させることで、カソードへの酸化剤ガスの供給を停止させる（ステップＳ１１０）。また、ステップＳ１１０では、燃料ガスタンク２１及び燃料ガス循環ポンプ２６を用いた燃料ガスのアノードへの供給は継続されている。ステップＳ１１０の状態で燃料電池スタック１０を発電させることで、カソードに残留する酸化剤ガス中の酸素の濃度が通常発電時よりも低下する。なお、この際に発電された電力は、二次電池２００に蓄電される。
【００４８】
次に、制御部５００は、電圧センサＶＭ１からの信号に基づいて、各単セルの電圧がいずれも所定値未満であるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。ここで、所定値は、カソードに残留する酸素濃度が所定濃度（充分に酸素が消費された時の濃度）以下となるときに得られる電圧値を設定する。例えば、各単セル電圧が０．０５Ｖ（通常発電時の各単セル電圧は約０．７Ｖ）よりも小さいか否かを判断する。ここで、燃料ガスの供給を継続させた状態で、酸化剤ガスの供給を停止させて、燃料電池スタック１０を発電させるモードが、課題を解決するための手段に記載の「第１の運転モード」に相当する。また、ステップＳ１１０及びＳ１２０のように、後述するガス供給工程前にカソードの酸素の濃度を低減させる工程を「酸素低減工程」とも呼ぶ。
【００４９】
なお、本実施例において、電圧値により所定の条件が満たされているか否かの判断を行う場合、複数ある単セルのいずれか一つが所定の条件を満たすか否かを判断しても良い。また、複数ある単セルをいくつかの群に分け、各群の平均値に基づいて、所定の条件を満たすか否か判断しても良い。また、複数ある単セルのうち、任意の単セルの電圧値に基づいて所定の条件を満たすか否かを判断しても良い。また、燃料電池スタック全体の出力電圧値に基づいて、所定の条件を満たすか否かを判断しても良い。
【００５０】
各単セル電圧が所定値未満でないと判断した場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）は、制御部５００は、第１の運転モードを継続させる。一方、制御部５００は、各単セル電圧が所定値未満であると判断した場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００を制御して、二次電池２００から燃料電池スタック１０への電圧印加を開始させる（ステップＳ１３０）。具体的には、水素の電極反応が進行する程度の電圧を燃料電池スタック１０に印加し、カソードから二次電池２００を含む外部回路を経由してアノードに直流電流を流す。これにより、燃料電池スタック１０のアノードでは、水素が電離し水素イオンが生成し、生成された水素イオンは、電解質膜を介してカソードに移動する。また、カソードでは、二次電池２００からカソードに供給された電子と水素イオンが反応し水素が生成する。このように、燃料電池スタック１０に外部電源より電圧を印加することで、アノードの水素がカソードに移動する現象を、「水素ポンピング現象」ともいう。水素ポンピング現象によりカソードに供給された水素によって、カソードに残留していた窒素は燃料電池スタック１０の外部（弁Ｖ４よりも下流側）に排出される。これにより、カソードの窒素分圧は低下し、水素分圧は上昇する。ここで、ステップＳ１３０のように、カソードに水素を含むガスを供給する工程を「ガス供給工程」ともいう。なお、二次電池２００とＤＣ／ＤＣコンバータ３００が、課題を解決するための手段に記載の「第１の電源部」に相当する。また、本実施例において、水素ポンピング現象により水素をカソードに供給する機構（二次電池２００、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００、負荷接続部４５、燃料ガス供給配管２２、燃料ガスタンク２１）が、課題を解決するための手段に記載の「第１のガス供給機構」に相当する。
【００５１】
ステップＳ１３０の後に、制御部５００は、アノード及びカソードに存在する（残留する）水素の分圧差が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１４０）。ここで、アノード及びカソードの分圧及び分圧差は、圧力センサＰ１，Ｐ２から出力されたアノード，カソードの全圧に関する信号と、水素濃度計Ｄ１，Ｄ２から出力されたアノード，カソードの水素濃度に関する信号を元に、制御部５００が算出する。
【００５２】
水素の分圧差の所定値は、以下のようにして設定することができる。すなわち、燃料電池システム１００が停止した後に、次に燃料電池システム１００が起動するまでの間（すなわち、システムが停止している間）に、分圧差により両極間で水素が移動し、カソードの全圧変動が生じ、カソードが負圧になることで燃料電池システム１００の外部から大気が流入することを抑制できるように設定する。これは燃料電池システム１００を搭載した車両の種類や、システム停止期間等を考慮し、停止前処理の開始前の分圧差よりも小さい状態となる範囲で設定可能である。また、例えば、水素の分圧差の所定値を、０〜３０Ｋｐａのいずれかの範囲に設定することが好ましい。ここで、ステップＳ１４０のように、所定のガス成分の両極間における分圧差を所定値以下とする工程を「ガス圧力差低減工程」ともいう。なお、ステップＳ１４０を短時間で行うために、ガス供給工程及びガス圧力差低減工程の実行中において、制御部５００は、アノードの水素分圧があまり変動しないように、排気弁Ｖ３の開閉や調圧バルブＶ２による燃料ガスの供給量等を制御することが好ましい。
【００５３】
両極間の水素の分圧差が所定値以下でないと判断した場合（ステップＳ１４０：ＮＯ）は、両極間の水素の分圧差が所定値以下となるまでガス供給工程を継続させる。一方、両極間の水素の分圧差が所定値以下であると判断した場合（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）は、制御部５００は、弁Ｖ１，Ｖ２を閉弁させると共に、循環ポンプ４６及び燃料ガス循環ポンプ２６の作動を停止させ、燃料ガスの供給・循環及び冷却水の循環を停止させる（ステップＳ１５０）。さらに、制御部５００は二次電池２００から燃料電池スタック１０への電圧の印加を停止させ、スイッチＳＷ２をＯＦＦとさせる（ステップＳ１６０）。さらに、弁Ｖ４を閉弁させる（ステップＳ１７０）。これにより。システム停止前処理が終了し、システムが停止する。なお、ステップＳ１５０〜ステップ１６０は順番を問わず任意のタイミングで実行可能である。また、ステップＳ１５０において、燃料ガス循環ポンプの作動も停止させたが、これに限らずステップＳ１１０以降の任意のタイミング（例えばステップＳ１１０を行うタイミング）で作動停止を行うことができる。また、ステップＳ１５０において実行する冷却水の循環停止は、このタイミングに限らず、燃料電池スタック１０の温度を適正に保つために、任意のタイミングで循環開始及び循環停止を行うことができる。
【００５４】
このように、燃料電池システム１００の停止時の停止前処理として、カソードに水素を供給し、両極間の水素の分圧差を所定値以下とすることで、水素の分圧差を駆動力とする水素の電解質膜の透過を抑制することができる。これにより、カソードの全圧の変動幅を低減し、カソードが負圧になることを抑制することができる。よって、燃料電池システム１００の外部からカソードに空気が混入することを抑制し、システム停止後におけるカソード構成部材（例えば、カソードガス拡散層やカソード触媒層を構成するカーボン）の酸化を抑制することができる。
【００５５】
また、システム停止後に、カソードが負圧になることを抑制できるため、酸化剤ガス排出配管３３に設けた弁Ｖ４にシール性の高い弁（例えば、遮断弁）を用いる必要がない。このため、燃料電池システムのコスト低減が可能となる。例えば、弁Ｖ４として、背圧弁やバタフライ弁などのシール性が低い弁を採用できる。
【００５６】
また、カソードへの水素の供給を水素ポンピング現象により行うことから、電解質膜を介してカソード全域に均一に水素を供給することができる。すなわち、単セルのカソード内における水素の濃度ムラを低減することができる。
【００５７】
さらに、ガス供給工程（ステップＳ１３０）の前に、酸素低減処理（ステップＳ１１０，Ｓ１２０）を実行しているため、カソードに水素が供給された場合にカソード触媒上で水素と酸素が反応し、燃焼することを抑制することができ、燃料電池スタック１０の性能低下を抑制することができる。
【００５８】
また、ステップＳ１７０において、弁Ｖ４を閉弁させることで、燃料電池システム１００の外部からの空気の拡散によって、カソードに空気が混入することを防止できる。よって、カソード構成部材の酸化をより確実に防止できる。
【００５９】
なお、第１の停止前処理のより好ましい態様として、以下の態様が挙げられる。ステップＳ１４０において、制御部５００が、水素分圧を算出するための信号（ここでは、全圧と水素濃度）に基づいて両極間での水素の分圧を算出する。また、ステップＳ１４０において、算出した分圧から制御部５００は、両極間での水素の分圧差が略ゼロになったか否かを判断する。すなわち、両極間での水素の分圧が略等しくなったか否かを判断する。そして。制御部５００は、両極間での水素の分圧差が略ゼロになった場合に、ステップ１５０以降の処理を実行する。これにより、水素の分圧差による水素の電解質膜の透過を防止できるため、さらにカソードの全圧の変動幅を低減できる。この好ましい態様は、後述する他の停止前処理のガス圧力差低減工程にも同様に適用できる。
【００６０】
Ａ−２−２．停止前処理の第２の態様：
図３は、第１実施例の制御部５００によって実行される停止前処理の第２の態様（以下、「第２の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。第１の停止前処理と異なる点は、ステップＳ１４０に代えてステップＳ１４０ａを行う点であり、その他の工程は第１の停止前処理と同様である。よって、第１の停止前処理と同一の工程は、同一の符号を付すと共に説明を省略する。また、第２の停止前処理が実行されている間は、アノードとカソードの全圧が略等しくなるように（例えば、大気圧程度）、燃料ガス給排系２０の弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の動作が制御されている。例えば、ガス供給工程によりアノード全圧が大気圧よりも高くなると、排気弁Ｖ３を開弁させ、アノード全圧を低下させる等の制御が行われる。
【００６１】
ステップＳ１４０ａでは、制御部５００は、アノード及びカソードに存在する（残留する）水素及び窒素の成分毎の分圧差がそれぞれ所定値以下であるか否かを判断する。ここで、本態様では、ガス低減処理の実行中に両極に残留するガスは、窒素と水素であるため、制御部５００は、全圧と水素濃度に関する信号に基づいて、両極のそれぞれの窒素と水素の分圧を算出し、該算出した値に基づき分圧差を算出する。なお、窒素の分圧差は、窒素濃度計を酸化剤ガス排出配管３３及び燃料ガス循環配管２４に設けることで算出することもできる。
【００６２】
ここで、水素の分圧差の所定値（以下、「第１の所定値」ともいう。）は、第１の停止前処理と同様に設定することができる。また、窒素の分圧差の所定値（以下、「第２の所定値」ともいう。）は、両極間での窒素の分圧差を駆動力とする窒素の両極間の移動を抑制可能な範囲で設定できる。言い換えれば、システム停止期間にカソードの全圧が変動し、負圧となることで燃料電池システム１００の外部から大気が流入することを抑制できるように設定する。これは、水素の分圧差の設定方法と同様に、燃料電池システム１００を搭載した車両の種類や、システム停止期間等を考慮し、停止前処理の開始前の分圧差よりも小さい状態となる範囲で設定可能である。また、例えば、窒素の分圧差の所定値を、０〜３０Ｋｐａのいずれかの範囲に設定することが好ましい。なお、窒素は水素に比べ電解質膜に対する透過係数が小さく、透過しにくい性質を有する。この性質を考慮し、窒素の分圧差の所定値は、水素の分圧差の所定値よりも大きい値を設定しても良い。
【００６３】
このように、第２の停止前処理は、両極間での水素の分圧差に加え、窒素の分圧差も所定値以下となるように処理を実行している（ステップＳ１４０ａ）。よって、水素の電解質膜の透過を抑制することに加え、窒素の分圧差を駆動力とする窒素の電解質膜の透過も抑制することができる。これにより、カソードの全圧の変動幅をより低減でき、カソードが負圧になることをより抑制することができる。これにより、燃料電池システム１００の外部からカソードに空気が混入することをより抑制することで、システム停止後におけるカソード構成部材の酸化をより抑制することができる。また、第２の停止前処理は、上記効果以外に、第１の停止前処理と同様の効果を奏する。
【００６４】
なお、第２の停止処理前のより好ましい態様として、以下の態様が挙げられる。ステップＳ１４０ａにおいて、制御部５００が、水素分圧及び窒素分圧を算出するための信号（ここでは、全圧と水素濃度）に基づいて両極間での水素の分圧を算出する。また、ステップＳ１４０ａにおいて、算出した分圧から制御部５００は、両極間での水素及び窒素のそれぞれの分圧差が略ゼロになったか否かを判断する。すなわち、両極間での水素及び窒素の分圧がそれぞれ略等しくなったか否かを判断する。そして、制御部５００は、両極間での水素及び窒素の分圧差がそれぞれ略ゼロになった場合に、ステップ１５０以降の処理を実行する。これにより、さらにカソードの全圧の変動幅を低減できる。この好ましい態様は、後述する他の停止前処理のガス圧力差低減工程にも同様に適用できる。
【００６５】
Ａ−３．第１実施例の変形例：
Ａ−３−１．第１変形例：
第１、第２の停止前処理において、酸素低減工程（ステップＳ１１０，Ｓ１２０）は省略しても良い。このようにしても、ガス圧力差低減工程（ステップＳ１４０，Ｓ１４０ａ）を備えることで、システム停止後のカソードの全圧の変動幅を抑制することができる。
また、ステップＳ１１０では、燃料ガス循環ポンプ２６の作動を継続させていたが、作動を停止させても良い。
【００６６】
Ａ−３−２．第２変形例：
燃料電池システム１００の構成（図１）について、酸化剤ガス排出配管３３には弁Ｖ４が設けられていたが、設けなくても良い。このようにしても、カソードの負圧発生を抑制し、負圧発生によってシステムの外部からカソードに空気が混入することを防止できる。よって、カソード構成部材の酸化を抑制できる。
【００６７】
Ａ−３−３．第３変形例：
本実施例では、酸化剤ガスとして空気を用いたが、これに代えて純粋な酸素を用いても良い。こうすれば、停止前処理において、カソード及びアノードに残留するガス成分には窒素が含まれず、水素のみとなり、他のガス成分（例えば窒素）の分圧差を駆動力とするカソードの全圧変動を考慮する必要がなくなる。この場合、第２の停止前処理のステップＳ１４０ａ（図３）では、第１の停止前処理のステップＳ１４０（図２）と同様、両極間の残留水素の分圧（すなわち、両極間の全圧）の差が所定値以下か否かを判断することになる。
【００６８】
Ａ−３−４．第４変形例：
第１、第２の停止前処理において、酸素低減工程（ステップＳ１１０，Ｓ１２０）では、電圧を指標として酸素が低減したか判断していたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス排出配管３３（図１）に酸素濃度計を設け、酸素濃度計の検出値が所定値以下であるか否かをもとに、酸素が低減されたか否かを判断しても良い。
【００６９】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．第２実施例の構成：
図４は、本発明の第２実施例を適用した燃料電池システム１００ａを搭載する電気自動車の全体構成図である。第１実施例との違いは、第１実施例の構成に加え、停止前処理の実行中に燃料電池スタック１０の酸化剤ガス排出口から酸化剤ガス排出配管３３に排出される排ガス（以下、「第１の排ガス」ともいう。）を再び第１のガスとしてカソードに供給する機構を設けた点である。その他の構成については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については、同一符号で示すと共に説明を省略する。
【００７０】
第２実施例の燃料電池システム１００ａは、さらに、第２の燃料電池スタック１２と、外部直流電源２１０と、負荷接続部４８と、排出ガス返送配管５２と、三方弁Ｖ５と、を備える。第２の燃料電池スタック１２は、燃料電池スタック１０と主に同様の構成を有している。相違点としては、酸化剤ガスを供給するためのカソード供給口を備えていない点である。なお、後述するように、第２の燃料電池スタック１２は、発電電力を供給するための装置ではないため、単セルの積層枚数は、燃料電池スタック１０に比べ少なくて良い。ここで、第２の燃料電池スタック１２と外部直流電源２１０がそれぞれ、課題を解決するための手段に記載の「第２の燃料電池」と「第２の電源部」に相当する。
【００７１】
第２の燃料電池スタック１２は、酸化剤ガス排出配管３３を流れる窒素と水素を含む第１の排ガス中から水素を分離するために用いられる。第２の燃料電池スタック１２には第２の燃料電池スタック１２のアノード（以下、「第２のアノード」という。）に連通する排出ガス供給口及び排出ガス排出口が設けられている。また、第２の燃料電池スタック１２のカソード（以下、「第２のカソード」という。）に連通する分離ガス排出口が設けられている。排出ガス供給口は、酸化剤ガス排出配管３３の部分のうち、上流側部分である上流側配管３３ａと接続されている。また、排出ガス排出口は、酸化剤ガス排出配管３３の部分のうち、下流側部分である下流側配管３３ｂと接続されている。また、第２の燃料電池スタック１２の分離ガス排出口は、排出ガス返送配管５２と接続されている。なお、本明細書において、上流側及び下流側は、通常発電時における燃料電池システム内を流れる反応ガスや冷却媒体の流れ方向を基準にしている。
【００７２】
排出ガス返送配管５２と酸化剤ガス供給配管３２の接続部には三方弁Ｖ５が設けられている。制御部５００が三方弁Ｖ５のポートの開閉を制御することで、排出ガス返送配管５２や酸化剤ガス供給配管３２の連通状態を切り換える。なお、酸化剤ガス供給配管３２の部分のうち、三方弁Ｖ５よりも上流側部分を上流側配管３２ａとし、三方弁Ｖ５よりも下流側を下流側配管３２ｂとする。
【００７３】
外部直流電源２１０は、第２の燃料電池スタック１２に電圧を印加し、第２の燃料電池スタック１２内で水素ポンピング現象を発生させるために用いられる。この外部直流電源２１０は、例えば二次電池とＤＣ／ＤＣコンバータを組み合わせた装置を用いることができる。負荷接続部４８は、制御部５００の指示に従って、外部直流電源２１０と第２の燃料電池スタック１２との接続を行う装置であり、スイッチＳＷ３を備える。なお、外部直流電源２１０に代えて、燃料電池スタック１０に電圧を印加する二次電池２００及びＤＣ／ＤＣコンバータ３００を用いても良い。
【００７４】
Ｂ−２．第２実施例の停止前処理：
図５は、第２実施例の制御部５００によって実行される停止前処理の第３の態様（以下、「第３の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。第２の停止前処理（図３）と異なる点は、ガス供給工程において酸化剤ガス排出配管３３を流れる第１の排ガス中から水素を分離し、該水素を第１のガスとしてカソードに再び供給している点である。その他の工程は、第２の停止前処理と同様であるため、同様の工程については同一符号を付すと共に説明を省略する。なお、第３の停止前処理は、第２の停止前処理と同様、停止前処理の実行中は、燃料電池スタック１０のアノードとカソードの全圧が略等しくなるように（例えば、大気圧程度）、弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の動作が制御されている。
【００７５】
ステップＳ１３０により、ガス供給工程を開始した後に、制御部５００は、三方弁Ｖ５のポートの開閉を切り換える（ステップＳ１３２）。これにより、排出ガス返送配管５２と下流側配管３２ｂを連通させ、第１のガス循環経路を形成させる（ステップＳ１３２）。次いで、制御部５００は、負荷接続部４８のスイッチＳＷ３をＯＮにすると共に、外部直流電源２１０を制御して、外部直流電源２１０から第２の燃料電池スタック１２への電圧印加を開始させる（ステップＳ１３４）。これにより、酸化剤ガス排出配管３３を介して第２の燃料電池スタック１２の第２のアノードに導入された第１の排ガスのガス成分のうち、水素が電気化学反応により第２のカソードに移動する。すなわち、水素ポンピング現象を利用して、第１の排ガス中から水素を分離している。第２のカソードに移動した水素は排出ガス返送配管５２及び下流側配管３２ｂを介して再び第１のガスとして燃料電池スタック１０のカソードに供給される。一方、第１の排ガスの水素以外のガス（主に窒素）は、配管３３ｂ，３４を介して燃料電池システム１００ａの外部へ排出される。なお、ステップＳ１３０〜ステップＳ１３４は、順番を問わず任意のタイミングで実行可能である。ここで、水素ポンピング現象により第２の燃料電池スタック１２のカソードに水素を供給し、供給された水素を排出ガス返送配管５２及び下流側配管３２ｂを介して燃料電池スタック１０のカソードに再び供給する機構が、課題を解決するための手段に記載の「第１のガス循環機構」に相当する。また、第２の燃料電池スタック１２の水素ポンピング現象によって、第１の排ガス中から水素を分離する機構が、課題を解決するための手段に記載の「燃料ガス分離機構」に相当する。
【００７６】
ステップＳ１３４の後に、第２の停止前処理（図３）と同様、ステップＳ１４０ａ〜Ｓ１６０を行う。ステップＳ１６０の後に、制御部５００は、外部直流電源２１０から第２の燃料電池スタック１２への電圧の印加を停止させ、負荷接続部４８のＳＷ３をＯＦＦにする（ステップＳ１６４）。次いで、制御部５００は、三方弁Ｖ５のポートの開閉を停止処理前の状態に戻し、上流側配管３２ａと下流側配管３２ｂを連通させる（ステップＳ１６６）。そして、ステップＳ１７０を実行し停止前処理が終了する。なお、ステップＳ１５０〜ステップＳ１６４は順番を問わず任意のタイミングで実行可能である。
【００７７】
このように、第３の停止前処理は、第１の排ガス中から水素を分離し、再度、燃料電池スタック１０のカソードに供給していることから、停止前処理に用いる水素を有効に利用することができる。さらに、燃料電池スタック１０のカソードに、より多くの水素を供給できることから、より短時間でカソードの水素分圧を上昇させると共に、カソードの窒素分圧を低下させることができる。よって、ステップＳ１４０ａの条件をより短時間に満たすことができ、停止前処理の動作時間を短くすることができる。
【００７８】
Ｂ−３：第２実施例の変形例：
Ｂ−３−１：第１変形例：
ステップＳ１４０ａに代えて、第１の停止前処理と同様、ステップＳ１４０（図２）を実行しても良い。このようにしても、カソードの全圧の変動幅を低減させることができる。すなわち、少なくとも、所定の分圧差による電解質膜の透過速度が窒素よりも速い水素の分圧差を所定値以下とすることで、カソードの全圧の変動幅を低減でき、カソードの負圧発生を抑制できる。これにより、燃料電池スタック１０の外部からカソードに空気が混入することを抑制することができる。
【００７９】
Ｂ−３−２：第２変形例：
第２の燃料電池スタック１２、負荷接続部４８、外部直流電源２１０は省略することができる。すなわち、酸化剤ガス排出配管３３から分岐され、酸化剤ガス供給配管３２に接続される排出ガス返送配管５２を設けるだけでも良い。これにより、ステップＳ１３４，Ｓ１６４（図５）は省略することができる。このようにしても、水素を含む第１の排ガスをカソードに再度供給するため、停止前処理に用いる水素を有効に利用することができる。
【００８０】
Ｂ−３−３．第３変形例：
第２実施例においても、第１実施例の第１変形例同様、酸素低減工程を省略しても良い。また、第１実施例の第１変形例同様、ガス供給工程における、アノードへの水素の供給は、燃料ガスタンク２１のみから行っても良い。また、第１実施例の第２変形例同様、弁Ｖ４を設けなくても良い。また、第１実施例の第３変形例同様、酸化剤ガスとして純粋な酸素を供給しても良い。また、第１実施例の第４変形例同様、酸素低減工程において、電圧に代えて酸素濃度計の検出値を判断の指標にしても良い。
【００８１】
Ｂ−３−４．第４変形例：
上記第３の停止前処理では、第１の排ガス中から水素を分離する方法として、水素ポンピング現象を利用したが、これに限定されるものではない。例えば、水素分離膜を設け、該膜により第１の排ガス中から水素を分離しても良い。こうすることで、水素分離のために、第２の燃料電池スタック等の水素ポンピング現象を生じさせる装置を設けなくて済む。
【００８２】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ−１．第３実施例の構成：
図６は、本発明の第３実施例を適用した燃料電池システム１１０を搭載する電気自動車の全体構成図である。第１実施例との違いは、酸化剤ガス排出配管３３に酸素濃度計Ｄ３を設けている点である。その他の構成については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については、同一符号で付すとともに説明を省略する。
【００８３】
酸素濃度計Ｄ３は、酸化剤ガス排出配管３３内に存在する酸素の濃度を検出する。また、酸素濃度計Ｄ３により検出した酸素濃度は、後述する停止前処理の制御に利用される。
【００８４】
Ｃ−２．第３実施例の停止前処理：
図７は、第３実施例の制御部５００によって実行される停止前処理の第４の態様（以下、「第４の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。第２の停止前処理（図２）との主な違いは、ガス供給工程におけるガスの供給方法とガス供給工程の前に行う工程である。また、第２の停止前処理と同様の工程については、同一符号を付すと共に説明は省略する。
【００８５】
ステップＳ１００の後に、制御部５００は、発電部の温度が０℃より高いか否かを判断する（ステップＳ１０２）。本実施例では、温度センサＴ１から取得した温度を発電部の温度とみなして判断を行っている。発電部の温度が０℃より高くない場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）、すなわち、発電部の温度が０℃以下である場合は、制御部５００は、後述するガス供給工程及びガス圧力差低減工程を行わず、燃料電池スタック１０への酸化剤ガス、燃料ガスの供給・循環及び冷却水の循環を停止させ（ステップＳ１５０ａ）、最後にステップＳ１７０を実行する。
【００８６】
一方、発電部の温度が０℃より高い場合は（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）、酸化剤ガスのストイキ比（本明細書では、「エアストイキ比」ともいう。）を通常発電時よりも低い第２の状態に設定して燃料電池スタック１０に発電を行わせる（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４を実行することで生じた発電電力は、二次電池で２００に蓄電したり、停止前処理のための電力として消費することができる。燃料電池スタック１０に供給するエアストイキ比を小さくすることで、アノードの水素がカソードに供給される。詳細には、アノードから電解質膜を介してカソードに移動してきた水素イオンが、カソードで酸素が不足したために酸素と反応できず、電子を得ることで水素となる。なお、エアストイキ比とは、酸素余剰率を指し、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して、供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す値である。すなわち、酸素の供給量をＷ１、供給された水素を過不足なく消費するのに必要な酸素の量をＷ２とした場合、エアストイキ比は、Ｗ１／Ｗ２で表される。ここで、本実施例において、エアストイキ比を小さく設定し発電を行わせ、アノードに供給された水素をカソードに供給する機構（燃料ガスタンク２１、燃料ガス供給配管２２、燃料電池スタック１０、酸化剤ガス供給配管３２、エアコンプレッサ３６、二次電池２００又はインバータ４００、負荷接続部４５）が、課題を解決するための手段に記載の「第１のガス供給機構」に相当する。
【００８７】
エアストイキ比は、停止前処理の動作状況により、通常運転時のエアストイキ比よりも小さくなる範囲で適宜設定及び変更可能である。なお、エアストイキ比は、０．８〜１．０５の範囲に設定することが好ましく、１程度に設定することがさらに好ましい。エアストイキ比が０．８より小さいと燃料電池スタック１０の発電電力が小さくなりすぎ、水素がアノードからカソードに移動しない可能性があるからである。また、エアストイキ比が１．０５より大きいとカソードでの酸素が不足状態とならず、カソードで水素が発生しない可能性があるからである。カソードでの酸素が不足状態となっているか否かは、酸素濃度計Ｄ３により制御部５００に送られた酸素濃度に関する信号を元に、制御部５００が判断し、低効率運転を制御している。なお、通常運転時のエアストイキ比は、１．２〜１．５の範囲に設定されている。
【００８８】
ステップＳ１０４の次に、両極間での残留窒素及び残留水素の分圧差が所定の条件を満たすかどうかを判断する（ステップＳ１４０ａ）。所定の条件を満たさないと判断した場合（ステップＳ１４０ａ）は、エアストイキ比が小さい第２の状態での発電を継続させる。これにより、カソードの水素分圧はさらに上昇し、窒素分圧はさらに低下する。カソードの水素分圧が上昇し、窒素分圧が低下することで、両極間の水素分圧の差及び窒素分圧の差がそれぞれ所定値以下となる。
【００８９】
両極間での残留窒素及び残留水素の分圧差が所定の条件を満たすと判断した場合（ステップＳ１４０ａ：ＹＥＳ）は、制御部５００は、酸化剤ガス、燃料ガスの供給及び循環を停止させると共に、冷却水の循環を停止させる（ステップＳ１５０ａ）。次いで、制御部５００は、ステップ１７０を実行し、燃料電池システム１１０のシステムを停止する。
【００９０】
このように、ガス供給工程は、エアストイキ比を小さくすることで実行できることから（ステップＳ１０４）、容易にカソードへ水素を供給することができる。また、燃料電池スタック１０に電圧を印加させるための外部電源を用いることなく、カソードに水素を供給できる。また、本態様の停止前処理により発生した電力は、二次電池２００に蓄電したり、停止前処理のための電力として消費することが可能であり、発電電力を有効に利用できる。また、通常運転時のエアストイキ比よりも小さいエアストイキ比で発電を行うことから、通常運転時に堆積したカソード触媒層表面の酸化物が該表面から除去され、カソード触媒層の性能を回復させることができる。さらに、第２実施例と同様、両極間での水素及び窒素のそれぞれの分圧差が所定の条件を満たすように処理している（ステップＳ１４０ａ）。よって、第２実施例と同様、カソードの全圧の変動幅をより低減でき、カソード構成部材の酸化をより抑制することができる。
【００９１】
ここで、ステップＳ１０２の処理を実行する理由について説明する。図８は、カソードの電極電位ごとの、単セル（発電部）の温度と二酸化炭素（ＣＯ2）濃度の関係を示すグラフである。ＣＯ2濃度は、通常運転時の燃料電池スタックから排出される排出酸化剤ガス中のＣＯ2濃度を意味し、カソードを構成するカソード構成部材の酸化の発生程度と比例する。なお、図８は実験的に求めたものである。
【００９２】
図８に示すように、セル温度が０℃以下の場合には、カソードの電極電位の値にかかわらずＣＯ2濃度は極めて小さい。すなわち、燃料電池スタックにおいて、一般にカーボンの酸化が進行し始める電極電位１．４Ｖ以上であっても、カーボンの酸化はほぼ生じていない。これに対して、セル温度が０℃より大きい場合は、カソードの電極電位が高くなるにつれＣＯ2濃度が大きくなっている。すなわち、セル温度が０℃より大きい場合、カソードの電極電位が上昇し１．４Ｖ以上になると、カーボンの酸化の発生頻度が大きくなる。
【００９３】
また、本発明者らは、セル温度が０℃以下で、エアストイキ比が通常発電時よりも小さい状態で燃料電池スタックを発電させると、カソード触媒層の性能が低下することを見出した。詳細には、カソード触媒層の一部が電解質膜上から剥離することを見出した。
【００９４】
第４の停止前処理では、ステップＳ１０２で発電部の温度が０℃より大きい場合（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）は、ガス供給工程及びガス圧力差低減工程（ステップＳ１０４、ステップＳ１４０ａ）を実行している（図７）。一方、ステップ１０２で発電部の温度が０℃以下である場合（ステップＳ１０２：ＮＯ）は、ガス供給工程及びガス圧力差低減工程を行うことなく、システムの停止を行っている。これにより、カソード触媒層の性能低下を防止しつつ、カソード構成部材の酸化を抑制することができる。
【００９５】
Ｃ−３．第３実施例の変形例：
Ｃ−３−１．第１変形例
ステップＳ１０２は省略しても良い。このようにしても、少なくともカソード全圧の変動幅を低減することができ、カソード構成部材の酸化を抑制することができる。また、二次電池２００及びＤＣ／ＤＣコンバータ３００を省略しても良い。このようにしても、ガス供給工程を実行することができる。
【００９６】
Ｃ−１−２．第２変形例：
第３実施例の第１変形例同様、ステップＳ１４０ａに代えて、ステップＳ１４０（図２）を実行しても良い。また、第１実施例の第２変形例同様、酸化剤ガス排出配管３３には弁Ｖ４を設けなくても良い。また、第１実施例の第３変形例同様、酸化剤ガスとして純粋な酸素を用いても良い。
【００９７】
Ｃ−１−３：第３変形例：
ステップＳ１０４（図７）において、エアストイキ比に加え、燃料ガスのスイトイキ比（以下、「水素ストイキ比」ともいう。）も通常発電時より小さい状態として発電を行わせても良い。こうすることで、アノードの窒素濃度は上昇し（すなわちアノードの窒素分圧は上昇し）、水素濃度は低下する（すなわち水素分圧は低下する）ことから、ステップＳ１４０ａの条件をより短時間に満たすことができる。これにより、停止前処理の動作時間を短くすることができる。水素ストイキ比は、通常発電時よりも小さい範囲で適宜設定及び変更可能である。なお、水素ストイキ比は、１．０〜１．２の範囲に設定することが好ましく、１．０〜１．０５の範囲に設定することがさらに好ましい。なお、本実施例では、通常運転時の水素ストイキ比は１．２程度に設定されている。
【００９８】
Ｄ．第４実施例：
Ｄ−１．第４実施例の構成：
図９は、本発明の第４実施例を適用した燃料電池システム１１０ａを搭載する電気自動車の全体構成図である。第３実施例との違いは、酸化剤ガス排出配管３３に排出される排ガスを、再び第１のガスとしてカソードに供給する機構を設けた点である。その他の構成については、第３実施例と同様の構成であるため、同様の構成について同一符号を付すとともに説明を省略する。
【００９９】
燃料電池システム１１０ａは、排出ガス返送配管６０を備えている。排出ガス返送配管６０は、配管３４と酸化剤ガス供給配管３２とに接続されている。また、排出ガス返送配管６０には、弁Ｖ８が設けられている。燃料電池スタック１０の通常運転時においては、弁Ｖ８は閉じている。
【０１００】
Ｄ−２．第４実施例の停止前処理：
図１０は、第４実施例の制御部５００によって実行される停止前処理の第５の態様（以下、「第５の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。第４の停止前処理との違いは、ステップＳ１０５、Ｓ１６８が加わった点であり、その他の工程については、同一符号を付すと共に説明は省略する。
【０１０１】
ステップＳ１０４の後に、制御部５００は弁Ｖ８を開弁させる（ステップＳ１０５）。これにより、水素を含む第１の排ガスの一部が配管３４から分岐し、排出ガス返送配管６０を介して酸化剤ガス供給配管３２に導入される。この結果、水素を含む第１の排ガスが再び第１のガスとしてカソードに供給される。なお、ステップＳ１０４，Ｓ１０５は順番を問わず実行可能である。
【０１０２】
ステップＳ１４０ａがＹＥＳの場合は、ステップ１５０ａに加え、さらに制御部５００は、弁Ｖ８を閉弁させる（ステップＳ１６８）。
【０１０３】
このように、第５の停止前処理は、水素を含む第１の排ガスをカソードに再度供給するため、停止前処理に用いる水素を有効に利用することができる。さらに、第４の停止前処理と同様の効果を奏する。
【０１０４】
Ｄ−３．第４実施例の変形例：
Ｄ−３−１．第１変形例：
第３実施例の第１〜第３変形例を採用することができる。
【０１０５】
Ｄ−３−２．第２変形例：
排出ガス返送配管６０中の第１の排ガス中から水素を分離し、分離後の水素を酸化剤ガス供給配管３２に返送する機構を設けても良い。例えば、第２実施例で記載のごとく、第２の燃料電池スタック１２、負荷接続部４８、外部直流電源２１０を設け（図４）、排出ガス返送配管６０中の第１の排ガスから、水素ポンピング現象を利用して水素を分離し、再び第１のガスとして燃料電池スタック１０のカソードに供給しても良い。このようにすることで、ステップＳ１４０ａのガス圧力差低減工程をより短時間で行うことができる。また、水素分離膜により第１の排ガス中から水素を分離しても良い。
【０１０６】
Ｅ．第５実施例：
Ｅ−１．第５実施例の構成：
図１１は、本発明の第５実施例を適用した燃料電池システム１２０を搭載する電気自動車の全体構成図である。第１実施例との違いは、第１と第２のバイパス配管７４，７６と、三方弁Ｖ１０,Ｖ１２を設けた点である。その他の構成については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すとともに説明を省略する。なお、第５実施例では、冷却水系４０（図１）の図示は省略している。
【０１０７】
第１のバイパス配管７４は、燃料ガス供給配管２２と酸化剤ガス供給配管３２とに接続されている。また、酸化剤ガス供給配管３２と第１のバイパス配管７４の接続部には三方弁Ｖ１２が設けられている。ここで、燃料ガス供給配管２２の部分のうち、三方弁Ｖ１２よりも上流側部分を第１の配管３２ｃとも呼び、三方弁Ｖ１２よりも下流側部分を第２の配管３２ｄとも呼ぶ。
【０１０８】
第２のバイパス配管７６は、燃料ガス循環配管２４と酸化剤ガス排出配管３３とに接続されている。また、酸化剤ガス排出配管３３と第２のバイパス配管７６の接続部には三方弁Ｖ１０が設けられている。ここで、酸化剤ガス排出配管３３の部分のうち、三方弁Ｖ１０よりも上流側部分を第３の配管３３ｃとも呼び、三方弁Ｖ１０よりも下流側部分を第４の配管３３ｄとも呼ぶ。制御部５００が、三方弁Ｖ１０、Ｖ１２のポートの開閉を制御することで、配管の連通状態を切り換える。なお、燃料電池スタック１０の通常発電時においては、第１のバイパス配管７４と酸化剤ガス供給配管３２、及び、第２のバイパス配管７６と酸化剤ガス排出配管３３はそれぞれ連通していない状態にある。
【０１０９】
Ｅ−２．第５実施例の停止前処理：
Ｅ−２−１．停止前処理の第６の態様：
図１２は、第５実施例の制御部５００によって実行される停止前処理の第６の態様（以下、「第６の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。ステップＳ２００は、第１の停止前処理におけるステップＳ１００と同様の工程である。ステップＳ１００において、制御部５００がＩＧスイッチＯＦＦ信号を受信すると、制御部５００は、燃料電池スタック１０の発電を停止させる（ステップＳ２１０）。すなわち、制御部５００は、負荷接続部４５を制御して、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を共にＯＦＦとし、電力の出力を停止させる。
【０１１０】
次に、制御部５００は、酸化剤ガス、燃料ガスの供給を停止させると共に、冷却水の循環を停止させる（ステップＳ２２０）。すなわち、制御部５００は、弁Ｖ１，Ｖ２を閉じ、エアコンプレッサ３６及び循環ポンプの作動を停止させる。なお、ステップＳ２１０における「燃料ガスの供給を停止させる」とは、遮断弁Ｖ１，調圧バルブＶ２を閉じ、燃料ガスタンク２１からの燃料ガスの供給を停止させることを意味し、燃料ガス循環ポンプ２６の作動は継続している。なお、ステップＳ２１０〜Ｓ２２０は順番を問わず任意のタイミングで実行可能である。
【０１１１】
次に、制御部５００は、三方弁Ｖ１０、Ｖ１２のポートの開閉を切り換える（ステップＳ２３０）。すなわち、第１のバイパス配管７４と第２の配管３２ｄとを連通状態とし、第１の配管３２ｃと第２の配管３２ｄとを非連通状態とする。また、第２のバイパス配管７６と第３の配管３３ｃとを連通状態とし、第３の配管３３ｃと第４の配管３３ｄとを非連通状態とする。すなわち、第１のガスをアノード及びカソードへ循環供給するための循環供給経路が形成される。
【０１１２】
これにより、燃料ガス循環ポンプ２６の作動により、燃料ガス給排系２０，酸化剤ガス給排系３０に残留している燃料ガス及び酸化剤ガスは循環及び攪拌され、第１のガスとしてアノード及びカソードに供給される（ステップＳ２４０）。
【０１１３】
次に、制御部５００は、ステップＳ２４０の開始後、所定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ２５０）。ここで所定時間は、アノード、カソード、燃料ガス給排系２０，酸化剤ガス給排系３０に残留しているガスの濃度ムラが低減される程度の時間を設定する。すなわち、ガスの濃度ムラが低減されていれば、両極に同一組成で略同一濃度のガスが供給され、両極間のガス成分毎の分圧差が所定値以下（ここでは、分圧差は略ゼロ）となっていると判断できる。よって、ステップＳ２５０は、第２の停止前処理（図３）のステップＳ１４０ａに代わる工程であることが理解でき、ステップＳ１４０ａと同様、ガス圧力差低減工程に相当する。
【０１１４】
所定時間が経過していないと判断した場合（ステップＳ２５０：ＮＯ）は、制御部５００は、燃料ガス循環ポンプ２６による循環を継続させる。一方、所定時間が経過したと判断した場合（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）は、制御部５００は、燃料ガス循環ポンプ２６の作動を停止させることで、残留ガスの供給及び循環を停止させる（ステップＳ２６０）。次に、制御部５００は、三方弁Ｖ１０，Ｖ１２のポートの開閉状態を停止処理前の状態に戻し、第１の配管３２ｃと第２の配管３２ｄ、第３の配管３３ｃと第４の配管３３ｄをそれぞれ連通状態とする。
【０１１５】
このように、第６の停止前処理では、濃度ムラを低減させた同一組成のガスを、第１のガスとしてカソード及びアノードに供給することで、特別な制御を行うことなく容易にカソード及びアノードのガス成分の成分毎の分圧差をそれぞれ所定値以下とすることができる。また、第１のガスとして、燃料ガス給排系２０及び酸化剤ガス給排系３０に残留するガスを用いることから、停止前処理に用いる第１のガスの量を低減できる。さらに、通常発電時の反応ガスとは別に、停止前処理のためのガスを用意する必要がなくなる。また、他の停止前処理と同様、ガス圧力差低減工程を行うことで、カソードの全圧の変動幅を低減でき、カソード構成部材の酸化を抑制することができる。また、システム停止後に、カソードが負圧になることを抑制できるため、カソード出口側にシール性の高い機構を設ける必要がない。このためコスト低減が可能となる。
【０１１６】
ここで、本実施例において、三方弁Ｖ１０，Ｖ１２のポートの開閉を切り換え、第１のバイパス配管７４と第２の配管３２ｄ、第２のバイパス配管７６と第３の配管３３ｃとをそれぞれ連通状態とし、燃料ガス循環ポンプ２６の作動により、燃料ガス給排系２０及び酸化剤ガス給排系３０に残留するガスをカソード及びアノードに供給する機構が、課題を解決するための手段に記載の「第１のガス供給機構」に相当する。また、三方弁Ｖ１０のポートの開閉を切り換え、第２のバイパス配管７６と第３の配管３３ｃを連通状態として、アノード及びカソードから排出される排出ガスを混合し、燃料ガス循環ポンプ２６の作動により燃料ガス供給配管２２へ循環させる機構が、課題を解決するための手段に記載の「排ガス循環機構」に相当する。また、三方弁Ｖ１２のポートの開閉を切り換え、第１のバイパス配管７４と第２の配管３２ｄを連通状態とした状態で、燃料ガス供給配管２２からアノードに第１のガスを供給する機構が、課題を解決するための手段に記載の「アノード供給機構」に相当する。
【０１１７】
Ｅ−２−２．停止前処理の第７の態様：
図１３は、第５実施例の制御部５００によって実行される停止前処理の第７の態様（以下、「第７の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。第６の停止前処理（図１２）と異なる点は、ガス供給工程の前に、カソードの電極電位を通常発電時よりも低下させる「電位低下工程」を実行する点である。その他の工程は第６の停止前処理と同様の工程であるため、同一の工程については、同一符号を付すとともに説明を省略する。
【０１１８】
ステップＳ２００の後に、制御部５００は、エアコンプレッサ３６の作動を停止させることで、カソードへの酸化剤ガスの供給を停止させる（ステップＳ２０１）。次に、制御部５００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００を制御して、二次電池２００から燃料電池スタック１０への電圧印加を開始させる（ステップＳ２０３）。なお、ステップＳ２０３において、制御部５００は負荷接続部４５を制御してスイッチＳＷ１はＯＦＦとなっている。これにより、水素ポンピング現象が生じ、カソードへ水素が供給され、カソードに残留していた酸素を含むガスが第３，第４の配管３３ｃ，３３ｄ及び配管３４を介してシステムの外部へ排出される。よって、カソードのガスが水素で置換されることでカソードの電極電位がシステム停止前処理の開始前（すなわち、通常運転時）の状態よりも低下する。ここで、水素ポンピング現象によりカソードへ水素を供給し、カソードの電極電位を低下させる機構が、課題を解決するための手段に記載の「電位処理機構」に相当する。
【０１１９】
ステップＳ２０３の後に、制御部５００は、各単セルの電圧が所定値より小さいか否かを判断する（ステップＳ２０５）。この所定値は、後述するガス供給工程によって、カソードの電極電位がカーボン酸化の生じる電極電位（例えば、１．４Ｖ以上）にまで上昇することを防止できる範囲で設定可能である。本態様の場合、所定値を０．０５Ｖに設定している。
【０１２０】
各単セル電圧が０．０５Ｖ以上であると判断した場合（ステップＳ２０５：ＮＯ）は、ステップＳ２０５の判断を繰り返し行う。一方、各単セル電圧が０．０５Ｖより小さいと判断した場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）は、制御部５００は、燃料ガスの供給及び冷却水の循環を停止させると共に、二次電池２００から燃料電池スタック１０への電圧の印加を停止させる（ステップＳ２０７，Ｓ２０９）。この場合において、「燃料ガスの供給を停止させる」とは、第６の停止前処理同様、燃料ガスタンク２１からの燃料ガスの供給を停止させることを意味し、燃料ガス循環ポンプ２６の作動は継続している。ステップＳ２０９以降は、第６の停止前処理と同様、ステップＳ２３０〜ステップＳ２７０の処理を実行する。
【０１２１】
このように、ガス供給工程の前に、予めカソードの電極電位を低下させることで、ガス供給工程の実行中に第１のガスに含まれる酸素がアノードに供給されることで生じるカソードの異常電位の発生を抑制することができる。さらに、第７の停止前処理は第６の停止前処理と同様の効果を奏する。
【０１２２】
Ｅ−３．第５実施例の変形例：
Ｅ−３−１．第１変形例：
図１４は、第１変形例の燃料電池システム１２０ａの構成を示す図である。第５実施例との構成の違いは、燃料ガス供給配管２２に弁Ｖ１４を設けた点である。その他の構成については、第５実施例と同様の構成であるため同一符号を付すとともに説明を省略する。弁１４は、燃料ガス供給配管２２のうち、第１のバイパス配管７４が接続されている地点よりも下流側（燃料電池スタック１０に近い側）に設けられている。なお、弁１４は通常運転時は開弁している。
【０１２３】
図１５は、第１変形例の制御部５００によって実行される第１変形例の停止前処理（以下、「第８の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。第７の停止前処理と異なる点は、電位低下工程の動作である。第６又は第７の停止前処理と同様の工程については、同一符号を付すとともに説明は省略する。また、電位低下工程後に実行するガス供給工程、ガス圧力差低減工程については、第６の停止前処理と同様の方法で行うため説明は省略する（図１２）。
【０１２４】
ステップＳ２００の後に、制御部５００は、燃料電池スタック１０の発電を停止させる（ステップＳ２０１ａ）。次に。制御部５００は、酸化剤ガス、燃料ガスの供給を停止させると共に、冷却水の循環を停止させる（ステップＳ２０２ａ）。なお、燃料ガス循環ポンプ２６の作動は継続している。また、ステップＳ２０１ａ，Ｓ２０２ａは第６の停止前処理のステップＳ２１０，Ｓ２２０と同様の工程である。
【０１２５】
次に、制御部５００は、弁１４を閉弁させる（ステップＳ２０３ａ）。次に、制御部５００は、三方弁Ｖ１２のポートの開閉を切り換え、第１のバイパス配管７４と第２の配管３２ｄとを連通させる（ステップＳ２０３ｂ）。これにより、燃料ガス循環ポンプの作動により、燃料ガス給排系２０に残留する燃料ガスがカソードに優先的に供給され、カソードに残留していた酸素を含むガスが第３，第４の配管３３ｃ，３３ｄ及び配管３４を介してシステムの外部へ排出される（ステップＳ２０３ｃ）。ここで、弁Ｖ１４を閉弁させカソードへ燃料ガス給排系２０に残留する燃料ガスを供給する機構が、課題を解決するための手段に記載の「アノード残留ガス供給機構」に相当する。
【０１２６】
次に第７の停止前処理と同様（図１３）、ステップＳ２０５を実行し、ステップＳ２０５で設定された条件を満たさないと判断した場合（ステップＳ２０５：ＮＯ）は、残留ガスのカソードへの供給を継続する。一方、ステップＳ２０５で設定された条件を満たすと判断した場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）は、制御部５００は、三方弁Ｖ１０のポートの開閉を切り換え、第３の配管３３ｃと第２のバイパス配管７６とを連通させる（ステップＳ２０９ａ）。次いで、制御部５００は、弁Ｖ１４を開弁させる（ステップＳ２１０ａ）。これにより、燃料ガス給排系２０及び酸化剤ガス給排系３０に残留しているガスが混合され、第１のガスとしてアノード及びカソードに供給される。
【０１２７】
このように、第８の停止前処理は、弁Ｖ１４の開閉を制御することで電位低下処理を行うことができる。よって、第７の停止前処理のように水素ポンピング現象を行うための外部直流電源等が不要であり、容易に電位低下工程を実行することができる。なお、第８の停止前処理のステップＳ２０３ｂにおいて、さらに三方弁Ｖ１０のポートの開閉を切り換え、第３の配管３３ｃと第２のバイパス配管７６を連通させても良い。すなわち、ステップＳ２０３ｃの実行中に、カソードに残留していた酸素を含むガスを第２のバイパス配管７６を介して再びカソードに供給しても良い。このようにしても、酸素はカソード触媒上で燃焼しカソードの電極電位を低下させることができる。また、カソードに残留していた酸素を含むガスをその後のガス供給工程に有効に利用することができる。
【０１２８】
Ｅ−３−２．第２変形例：
第７及び第８の停止前処理（図１３，図１５）のステップＳ２０５において、制御部５００は、各単セル電圧が所定値以下か否かを判断していたが、これに代えて、所定時間が経過したか否かを判断しても良い。ここで所定時間は、電位低下工程においてカソードに供給される単位時間当たりのガス量と、カソードの容積に基づいて、カソードに残留する酸素を外部へ排出可能な時間を設定することができる。
また、カソードに供給されたガス量を算出し、該ガス量が所定値（例えば、カソードの容積値）以上か否かで判断しても良い。具体的には、例えば第７の停止前処理について、水素ポンピング現象に用いた電荷量から、アノードからカソードに移動した水素量を算出し、該水素量が所定値以上（例えば、カソードの容積以上）か否かで、第１のガス供給工程を行うかどうかを決定することができる。
また、酸化剤ガス排出配管３３に設けた水素濃度計Ｄ２（図１１）において、水素を検知したか否かを判断しても良い。水素を検知した場合は、カソードのガスが水素で置換され、カソードの電極電位が所定値以下に低下したと判断することができる。
【０１２９】
Ｅ−３−３．第３変形例：
第５実施例の第６〜第８の停止前処理では、ガス圧力差低減工程で所定時間経過したか否かを判断していたが（図１２のステップＳ２５０）、これに限られるものではない。例えば、第１の停止前処理のステップＳ１４０（図２）又は第２の停止前処理のステップＳ１４０ａ（図３）と同様、所定のガス成分のアノード及びカソードにおける分圧差を判断の指標に用いても良い。
【０１３０】
Ｅ−３−４：第４変形例：
上記実施例では、燃料ガス給排系２０及び酸化剤ガス給排系３０の一部の配管及び機器（燃料ガスタンク２１や燃料ガス循環ポンプ２６等）を利用して、第１のガスを両極に供給したが、これに限定されるものではない、すなわち、燃料ガスを含む同一組成のガスを貯留するタンクから、両極にそれぞれ接続された第１のガス供給用配管を介して、両極に該ガスを第１のガスとして供給しても良い。また、この際、両極の全圧が略等しくなるように設定する。このように、同一の第１のガス供給源から第１のガスを両極に供給しても、両極のガス成分の成分毎の分圧差をそれぞれ所定値以下に容易に到達させることができる。すなわち、ガス供給工程において、濃度ムラを低減させた燃料ガスを含むガスを、カソード及びアノードに充填させることで、短時間でガス圧力差低減工程での所定の条件を満たすことができる。
【０１３１】
Ｆ．第６実施例：
Ｆ−１．第６実施例の構成：
図１６は、本発明の第６実施例を適用した燃料電池システム１３０を搭載する電気自動車の全体構成図である。第１実施例との違いは、第３のバイパス配管８０、リリーフ弁（「安全弁」ともいう。）Ｖ１８及びアノード出口弁Ｖ１６を設けた点である。その他の構成については、第１実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に説明を省略する。なお、第６実施例では、冷却水系４０、二次電池２００、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００、負荷接続部４５、インバータ４００及びモータ４１０（図１）の図示は省略している。
【０１３２】
第３のバイパス配管８０は、燃料ガス供給配管２２と酸化剤ガス供給配管３２に接続されている。また、第３のバイパス配管８０には、リリーフ弁Ｖ１８が設けられている。アノード出口弁Ｖ１６は、燃料ガス循環配管２４の部分であって、気液分離器２５よりも上流側部分に設けられている。なお、圧力センサＰ１と水素濃度計Ｄ１は、燃料ガス循環配管２４の部分のうち。アノード出口弁Ｖ１６よりも上流側部分に設けられている。
【０１３３】
Ｆ−２．停止前処理の第９の態様：
図１７は、第６実施例の制御部５０によって実行される停止前処理の第９の態様（以下、「第９の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。制御部５００にＩＧスイッチＯＦＦ信号が入力されると（ステップＳ４００）、制御部５００は、燃料電池スタック１０の発電を停止させる（ステップＳ４１０）。次いで、制御部５００は、酸化剤ガスの供給を停止すると共に、循環ポンプ２６，４６の作動を停止させ、燃料ガス及び冷却水の循環を停止させる（ステップＳ４２０）。なお、燃料ガスタンク２１による燃料ガスの供給は継続させている。
【０１３４】
ステップＳ４２０の後に、制御部５００は、アノード出口弁Ｖ１６を閉弁させる（ステップＳ４３０）。これにより、燃料ガス供給配管２２の圧力が上昇し、圧力が所定値以上となると、リリーフ弁Ｖ１８が開弁し、第３のバイパス配管８０が連通状態となる。これにより、燃料ガスタンク２１から供給された燃料ガスが第１のガスとして、第３のバイパス配管８０と酸化剤ガス排出配管３３を介してカソードに供給される。この結果、カソードに残存していた酸素及び窒素はシステムの外部へ排出される。ここで、第３のバイパス配管８０を連通状態とし、燃料ガスをカソードに供給する機構が、課題を解決するための手段に記載の「第１のガス供給機構」に相当する。また、アノード出口弁Ｖ１６が、課題を解決するための手段に記載の「圧力調整部」に相当する。
【０１３５】
次に、制御部５００は、カソードが水素で置換されたか否かを判断する（ステップＳ４４０）。例えば、燃料ガスタンク２１の水素供給量とカソード容積をもとに、リリーフ弁Ｖ１８が開弁してから、カソードが水素で置換されるまでの時間を予め求めておき、該時間が経過したか否かにより判断する。
【０１３６】
カソードが水素で置換されていないと判断した場合（ステップＳ４４０：ＮＯ）は、リリーフ弁Ｖ１８の開弁状態を維持させ、燃料ガスの供給を継続させる。一方、カソードが水素で置換されたと判断した場合（ステップＳ４４０：ＹＥＳ）は、制御部５００は、排気弁Ｖ３及びアノード出口弁Ｖ１６を開弁させる（ステップＳ４５０）。これより、燃料ガス供給配管２２の圧力は低下し、リリーフ弁Ｖ１８が閉弁する。また、アノードの全圧が大気圧程度まで低下していくと共に、アノードが水素で置換されていく。
【０１３７】
次に、制御部５００は、アノードが水素で置換されたか否かを判断する（ステップＳ４６０）。例えば、燃料ガスタンク２１の水素供給量とアノード容積からアノードが水素で置換されるまでの時間を予め求めておき、該時間が経過したか否かにより判断する。
【０１３８】
アノードが水素で置換されていないと判断した場合（ステップＳ４６０：ＮＯ）は、制御部５００は、燃料ガスの供給を継続させる。一方、アノードが水素で置換されたと判断した場合（ステップＳ４６０：ＹＥＳ）は、制御部５００は、燃料ガスの供給を停止させる（ステップＳ４７０）。
【０１３９】
次に、制御部５００は、アノード及びカソードの全圧の差が所定値以下か否かを判断する（ステップＳ４８０）。所定値以下でないと判断した場合（ステップＳ４８０：ＮＯ）は、Ｓ４８０の判断を繰り返し行う。これにより、時間の経過に伴い、アノード全圧が、大気圧程度に低下する。一方、所定値以下であると判断した場合（ステップＳ４８０：ＹＥＳ）は、制御部５００は排気弁Ｖ３及び弁Ｖ４を閉弁させる（ステップＳ４９０）。
【０１４０】
このように、第３のバイパス配管８０及びリリーフ弁Ｖ１８を設け、燃料ガス供給配管２２の圧力を所定値以上に上昇させることで、容易にカソードに水素を供給することができる。また、リリーフ弁Ｖ１８は、他の弁（例えば三方弁）よりも制御を容易に行うことができることから、停止前処理の制御を容易に行うことができる。
【０１４１】
また、第３のバイパス配管８０及びリリーフ弁Ｖ１８を設けることで、通常運転時において、何らかの異常（例えば、水の滞留）により燃料ガス給排系２０（特に燃料ガス供給配管２２）の圧力が急上昇するのを抑制し、アノードとカソードの圧力差によって電解質膜の形態が変化することを防止することができる。
【０１４２】
また、ガス圧力差低減工程を行うことで、カソードの全圧変動の幅を低減でき、カソードが負圧になることを抑制することができる。これにより、システム停止後におけるカソード構成部材の酸化を抑制することができる。また、システム停止後に、カソードが負圧になることを抑制できるため、大気と連通する燃料電池スタック１０のカソード出口側にシール性の高い機構を設ける必要がなく、コスト低減が可能となる。また、ステップＳ４９０において、弁Ｖ４を閉弁させることで、空気の拡散によって外部からカソードに空気が混入することを防止できる。
【０１４３】
Ｆ−３．第６実施例の変形例：
Ｆ−３−２．第１変形例：
ステップＳ４４０及びステップＳ４６０において、制御部５００は、所定時間経過したか否かを判断していたが、これに限定されるものではない。例えば、ステップＳ４４０において、水素濃度計Ｄ２の濃度が所定値以上か否かを判断しても良い。また、同様に、ステップｓ４８０において、水素濃度計Ｄ１の濃度が所定値以上か否かを判断しも良い。
【０１４４】
Ｆ−３−２．第２変形例：
ステップＳ４３０において、さらに調圧バルブＶ２を調整し、燃料ガスタンク２１からの水素供給量を増大させ、燃料ガス供給配管２２の圧力を上昇させても良い。このようにすれば、より短時間に燃料ガス供給配管２２内を所定値以上の圧力にすることができる。
【０１４５】
Ｆ−３−３．第３変形例：
アノード出口弁Ｖ１６を排気弁Ｖ３で代用させても良い。すなわち、アノード出口弁Ｖ１６は省略可能である。この場合において、ステップＳ４３０及びステップＳ４５０におけるアノード出口弁Ｖ１６の開閉は、排気弁Ｖ３の開閉に代用される。このようにしても、第６実施例と同様の効果を奏する。
【０１４６】
Ｆ−３−４．第４変形例：
上記実施例において、二次電池２００及びＤＣ／ＤＣコンバータ３００は省略可能である。このようにしてもガス供給工程を実行することができる。
【０１４７】
本発明は上記の実施例、実施形態、変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１４８】
Ｇ．その他の変形態様：
Ｇ−１．第１の変形態様：
Ｇ−１−１．第１の変形態様の構成
図１８は、第１の変形態様の燃料電池システム１３０ａを搭載する電気自動車の全体構成図である。第６実施例（図１６）との違いは、第３のバイパス配管８０の取り付け位置である。その他の構成については、第６実施例と同様の構成であるため、同様の構成については同一符号を付すと共に、説明を省略する。
【０１４９】
第３のバイパス配管８０は酸化剤ガス排出配管３３と燃料ガス循環配管２４とに接続されている。詳細には、第３のバイパス配管８０の一端は、酸化剤ガス排出配管３３の部分のうち、弁Ｖ４よりも上流側部分に接続され、他端は、燃料ガス循環配管２４の部分のうち、アノード出口弁Ｖ１６よりも上流側部分に接続されている。また、第３のバイパス配管には、第６実施例と同様、リリーフ弁Ｖ１８が設けられている。
【０１５０】
Ｇ−１−２．第１の変形態様の停止前処理：
図１９は、第１の変形態様の制御部５００によって実行される停止前処理の第１０の態様（以下、「第１０の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。第９の停止前処理と異なる点は、ステップＳ４３０以降である。よって、第９の停止前処理と同一の工程については、同一の符号を付すと共に説明を省略する。
【０１５１】
制御部５００がアノード出口弁Ｖ１６を閉弁させると（ステップＳ４３０）、燃料ガス循環配管２４（詳細には、配管２４のうち、アノード出口弁Ｖ１６よりも上流側部分）の圧力が上昇し、圧力が所定値以上になると、リリーフ弁が開弁する。これにより、酸化剤ガス排出配管３３に水素を充填させる（ステップＳ５００）。なお、酸化剤ガス排出配管３３に水素が充填されたかどうかは、水素濃度計Ｄ２の水素濃度値や、酸化剤ガス排出配管３３の容積と水素の供給量から算出した充填が完了するまでの時間に基づいて判断することができる。ステップＳ５００の後に、制御部５００は燃料ガスの供給を停止させる（ステップＳ５１０）。次に、制御部５００は、排気弁Ｖ３及びアノード出口弁Ｖ１６を開弁させ（ステップＳ５２０）、燃料ガス給排系２０を所定の圧力（例えば、大気圧程度）に低下させる。次いで、制御部５００は排気弁Ｖ３及び弁Ｖ４を閉弁させる（ステップＳ５３０）。
【０１５２】
このように、第１０の停止前処理では、酸化剤ガス排出配管３３を水素で充填しているため、システム停止後にカソードに負圧が発生した場合であっても、カソードへの酸素の混入を抑制することができる。これにより、カソード構成部材の酸化を抑制することができる。また、アノード出口弁Ｖ１６を排気弁Ｖ３に代用できる。すなわち、アノード出口弁Ｖ１６を設けなくても良い。
【０１５３】
なお、第１の変形態様において、弁Ｖ４は省略可能である。このようにしても、カソードに負圧が発生しても、酸化剤ガス排出配管３３内に充填された水素がカソードに混入し、酸素のカソードへの混入を抑制できる。
【０１５４】
Ｇ−２．第２の変形態様：
図２０は、第１実施例の燃料電池システム１００の制御部によって実行される停止前処理の第１１の態様（以下、「第１１の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。
【０１５５】
ユーザが、車両を停止して、ＩＧスイッチをＯＦＦしたときに、ＩＧスイッチＯＦＦ信号が制御部５００に入力される（ステップＳ６００）。すると、制御部５００は、燃料電池スタック１０の発電を停止させ（ステップＳ６１０）、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）や冷却水の供給及び循環を停止させる（ステップＳ６２０）。
【０１５６】
次に、制御部５００は、アノード全圧が第１の基準値以下であるか否かを判断する（ステップＳ６３０）。第１の基準値は、アノードからカソードへの水素の移動により、アノードの水素が停止前処理の実行前よりも減少したことを判断できる所定の値を設定できる。本態様の場合、第１の基準値は、大気圧より低い、９０ｋＰａ程度とした。
【０１５７】
第１の基準値以下でないと判断した場合（ステップＳ６３０：ＮＯ）は、制御部５００は、発電を停止してから所定時間経過したか否かを判断する（ステップＳ６４０）。所定時間経過していないと判断した場合（ステップＳ６４０：ＮＯ）は、ステップＳ６３０を繰り返し実行する。所定時間経過したと判断した場合（ステップＳ６４０：ＹＥＳ）は、弁Ｖ４を閉弁させ、停止前処理を終了する。ここで、所定時間を経過した場合に停止前処理を終了するのは、以下の理由による。所定時間経過してもステップＳ６３０の条件を満たさない場合には、アノード全圧が第１の基準値と後述する第２の基準値の間の範囲にあって、かつ、両極間の水素の分圧差を駆動力とするアノードからカソードへの水素の移動がほとんど進行しないためアノード全圧がほとんど変動しないと判断できるからである。すなわち、所定時間経過してもステップＳ６３０の条件を満たさない場合には、少なくとも両極間の水素の分圧差が所定値以下（ここでは、略等しい）になったと判断できる。
【０１５８】
ステップＳ６３０で設定した条件を満たすと判断した場合は、制御部５００は、燃料ガスのアノードへの再供給を行う（ステップＳ６５０）。この際、燃料ガス循環ポンプ２６の作動は再開させる。
【０１５９】
次に、制御部５００は、アノード全圧が第２の基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ６６０）。第２の基準値以上でないと判断した場合（ステップＳ６６０：ＮＯ）は、燃料ガスの再供給を継続させる。一方、第２の基準値以上であると判断した場合（ステップＳ６６０：ＹＥＳ）は、制御部５００は、燃料ガスの再供給を停止させる（ステップＳ６７０）。なお、ステップＳ６７０では、燃料ガス循環ポンプ２６による燃料ガスの循環も停止させる。ここで、第２の基準値は、両極間の全圧差による電解質膜の変形が防止できる範囲で設定可能であり、本態様では、カソード全圧（大気圧程度）と同様、大気圧程度に設定している。また、ステップＳ６６０の条件はアノード全圧に代えて、所定の時間が経過したか否かを基準にしても良い。すなわち、水素の供給量とアノードの水素の減少量を元に、アノードに減少分だけの水素が供給される時間を予め算出し、該時間を所定の時間と設定することもできる。
【０１６０】
次に、制御部５００は、両極に残留する水素及び窒素の成分毎の分圧差がそれぞれ所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ６８０）。ここで、水素、窒素の分圧差の所定値は、第２の停止前処理のステップＳ１４０ａ（図３）と同様の基準を採用している。
【０１６１】
分圧差が所定の条件を満たさないと判断した場合（ステップＳ６８０：ＮＯ）は、制御部５００は、ステップＳ６３０の判断を行う。一方、分圧差が所定の条件を満たすと判断した場合（ステップＳ６８０：ＹＥＳ）は、制御部５００は、弁Ｖ４を閉弁させる（ステップＳ６９０）。ここで、両極間の水素の分圧差を駆動力として、アノードの水素をカソードに供給させる機構が、課題を解決するための手段に記載の「第１のガス供給機構」に相当する。
【０１６２】
このように、第１１の停止前処理は、両極間での水素および窒素のそれぞれの分圧差を低減させることから、カソードの全圧の変動幅を低減でき、カソードが負圧になることを抑制できる。これにより、システム停止後におけるカソード構成部材の酸化を抑制することができる。また、第１実施例と同様、酸化剤ガス排出配管３３に遮断弁等のシール性の高い機構を用いる必要がない。
【０１６３】
また、本態様においても、弁Ｖ４は設けなくても良い。このようにしても、カソードの負圧発生を抑制し、負圧発生によってシステムの外部からカソードに空気が混入することを抑制できる。よって、カソード構成部材の酸化を抑制できる。なお、本態様の停止前処理ではガス供給工程で水素ポンピング現象を利用していないことから、燃料電池システム１００（図１）の二次電池２００及びＤＣ／ＤＣコンバータ３００は省略可能である。
【０１６４】
Ｇ−３．第３の変形態様：
Ｇ−３−１．第３の変形態様の構成：
図２１は、第３の変形態様を適用した燃料電池システム１４０を搭載する電気自動車の全体構成図である。第１実施例との違いは、返送配管２９と三方弁Ｖ２０と弁Ｖ２２を設けた点である。その他の構成については第１実施例と同様の構成であるため、同一の構成については、同一符号を付すと共に説明を省略する。なお、燃料電池システム１４０は、二次電池２００、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００、負荷接続部４５、インバータ４００、および、モータ４１０の図示は省略している。
【０１６５】
返送配管２９は、希釈器３７と燃料ガス循環配管２４とに接続されている。返送配管２９と燃料ガス循環配管２４の接続部には、三方弁Ｖ２０が設けられている。また、配管３４には、弁Ｖ２２が設けられている。なお、燃料ガス循環配管２４の部分のうち、三方弁Ｖ２０よりも上流側部分を上流側配管２４ａとも呼び、下流側部分を下流側配管２４ｂとも呼ぶ。
【０１６６】
Ｇ−３−２．停止前処理の第１２の態様：
図２２は、第３の変形態様の制御部５００によって実行される停止前処理の第１２の態様（以下、「第１２の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。第１１の停止前処理と異なる点は、ステップＳ６３０以降の燃料ガスの供給及び循環方法である。その他の工程は第１１の停止前処理と同様の工程であるため、同一の工程については、同一符号を付すとともに、説明を省略する。
【０１６７】
ステップＳ６３０の条件を満たすと判断した場合（ステップＳ６３０：ＹＥＳ）は、制御部５００は、燃料ガスの再供給を行う（ステップＳ６５０）。また、制御部５００は弁Ｖ３を開弁、弁Ｖ２２を閉弁させると共に、三方弁Ｖ２０のポートの開閉を切り換え、返送配管２９と下流側配管２４ｂを連通させる（ステップＳ６５２）。すなわち、返送配管２９と下流側配管２４ｂにより、燃料ガス循環経路を形成させる。次に、制御部５００は、燃料ガス循環ポンプ２６を作動させ燃料ガスの再循環を行う（ステップＳ６５４）。なお、ステップＳ６５０〜Ｓ６５４は順番を問わず、任意のタイミングで実行可能である。
【０１６８】
ステップＳ６６０の条件を満たすと判断した場合（ステップＳ６６０：ＹＥＳ）は、制御部５００は、燃料ガスの再供給及び再循環を停止させる（ステップＳ６７０、Ｓ６７２）。また、制御部５００は、弁Ｖ３を閉弁、弁Ｖ２２を開弁させると共に、三方弁Ｖ２０を元の状態に戻すことで、上流側配管２４ａと下流側配管２４ｂとを連通状態にする（ステップＳ６７４）。なお、ステップＳ６７０〜Ｓ６７４は順番を問わず、任意のタイミングで実行可能である。
【０１６９】
このように、第１２の停止前処理では、燃料ガスの再循環は、希釈器を介して行われることから、ガスをより一層攪拌できる。これにより、濃度ムラを低減したガスが燃料ガス供給配管２２を介してアノードに供給される。よって、各単セルのアノードにおいて水素が部分的に欠乏した水素欠乏部位の発生を防止でき、カソードの異常電位の発生をより抑制することができる。また、ガス圧力差低減工程（ステップＳ６８０）を実行することで、カソードの全圧の変動幅を低減し、システム停止後においてシステム外部からカソードに空気が混入することを抑制することができる。これにより、カソード構成部材の酸化を抑制することができる。
【０１７０】
Ｇ−３−３．停止前処理の第１３の態様：
図２３は、第３の変形態様の制御部５００によって実行される停止前処理の第１３の態様（以下、「第１３の停止前処理」という。）を示すフローチャートである。第１２の停止前処理と異なる点は、アノード全圧が第１の基準値以下であると判断され、燃料ガスが再供給される前（ステップＳ６３０、Ｓ６５０）に、アノードの圧力損失を低減させる圧力損失低減工程を設けた点である。その他の工程は、第１２の停止前処理と同様の工程であるため、同一の工程については、同一符号を付すとともに、説明を省略する。また、アノードの圧力損失を測定するために、燃料電池システム１４０（図２１）において、燃料ガス供給配管２２の部分のうち、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給口付近には、供給側圧力センサを新たに設ける。そして、供給側圧力センサと燃料ガス排出側に設けた圧力センサＰ１に基づき、制御部５００は、アノードの圧力損失を算出する。なお、本態様の圧力損失低減工程は、第１１の停止前処理（図１、図２０）にも適用できる。
【０１７１】
ステップＳ６２０の後に、制御部５００は、燃料ガス循環ポンプ２６を作動させると共に、ポンプの回転数を通常作動時よりも大きくし、燃料ガス循環量を増大させる（ステップＳ６２２）。次に、制御部５００は、排気弁Ｖ３を開弁させる。これにより、アノードに滞留していた水が燃料ガス循環配管２４、燃料ガス排出配管２８を介して外部へ排出され、アノードの圧力損失が低下する。
【０１７２】
次に、制御部５００は、アノードの圧力損失が所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ６２５）。ここで、所定値は、燃料電池スタックの発電を停止させた際（ステップＳ６１０）の圧力損失よりも低い範囲で設定可能である。また、所定値を燃料電池システムの通常運転の開始前の圧力損失（すなわち、アノードに水がほとんど滞留していない状態での圧力損失）に設定することが好ましい。アノードの圧力損失が所定値以下でないと判断した場合（ステップＳ６２５：ＮＯ）は、制御部５００は、ステップＳ６２５の判断を繰り返し行う。一方、アノードの圧力損失が所定値以下であると判断した場合（ステップＳ６２５：ＹＥＳ）は、制御部５００は、燃料ガス循環ポンプ２６の作動を停止させ、燃料ガスの循環を停止させる（ステップＳ６２６）。そして、制御部５００は、排気弁Ｖ３を閉弁させる。なお、ステップＳ６２２、Ｓ６２４は順番を問わず実行可能である。また、ステップＳ６２６、Ｓ６２８も順番を問わず実行可能である。
【０１７３】
このように、燃料ガスの再供給を開始させる前に、圧力損失低減工程（ステップＳ６２２〜Ｓ６２８）を行うことで、燃料ガス再供給を実行する際に、各単セルに燃料ガスを均一に供給することができる。これにより、各単セルのアノードにおける水素欠乏部位の発生をより抑制することができ、カソードの異常電位の発生をより一層抑制することができる。また、第１２の停止前処理と同様、システム停止後におけるカソード構成部材の酸化を抑制することができる。
【０１７４】
なお、第３の変形態様の燃料電池システム１４０の構成について（図２１）、返送配管２９の一端は希釈器３７と接続されていたが、これに限定されるものではなく、ガスをより攪拌させる機構であれば他の構成でも良い。例えば、返送配管２９の一端をマフラ３８に接続させても良い。このようにしても、ガスを充分に攪拌することができる。さらに、返送配管２９に代えて、例えば、燃料ガス供給配管２２の一部に、径が大きい大径部を設けたり、燃料ガスが通過する燃料電池スタック１４０のアノードマニホールドに邪魔板を設けても良い。
【０１７５】
Ｇ−４．第４の変形態様：
上記実施例や上記変形態様では、燃料電池システムは車両に搭載されている例を示したが、車両に搭載される場合に限定されず、種々の用途に用いることができる。例えば、燃料電池システムが、家庭用コージェネレーションシステムに用いられても良い。その場合、例えば、家庭用コージェネレーションシステムが、燃料電池スタックの発電停止ボタンを備え、ユーザが、発電停止ボタンを押下した場合に、制御部５００に発電停止ボタンＯＮ信号が入力され、制御部５００が第１〜第１３のいずれかの停止前処理を実行するようにしても良い。
【０１７６】
Ｇ−５．第５の変形態様：
上記停止前処理では、ガス供給工程において、「水素ポンピング現象」や「低エアストイキ比運転」や「リリーフ弁の開閉」等の通常運転時に用いるアノード給排系及びカソード給排系の一部を利用して、アノードに燃料ガスを含むガスを供給していたが、ガス供給方法はこれに限定されず、他の方法も採用可能である。例えば、停止前処理時にカソードへ水素を含むガスを供給するための処理用燃料ガスタンクを別途設け、該ガスタンクからカソードに燃料ガスを含むガス（例えば水素ガスや、水素と窒素の混合ガス）を供給しても良い。このようにしても、ガス圧力差低減工程を行うことで、システム停止後のカソード構成部材の酸化を抑制することができる。また、停止前処理として、水素を含むガスをカソードに供給していたが、これに限定されるものではない。例えば、停止前処理として、メタンや窒素等の不活性ガスでカソード及びアノードを置換し、両極でのガスの成分毎の分圧差がそれぞれ所定値以下となるよう設定しても良い。このようにしても、システム停止後におけて、カソードの全圧の変動幅を低減することができ、システム停止後のカソード構成部材の酸化を抑制することができる。
【符号の説明】
【０１７７】
１０…燃料電池スタック
１２…第２の燃料電池スタック
２０…燃料ガス給排系
２１…燃料ガスタンク
２２…燃料ガス供給配管
２４…燃料ガス循環配管
２４ａ…上流側配管
２４ｂ…下流側配管
２５…気液分離器
２６…燃料ガス循環ポンプ
２８…燃料ガス排出配管
２９…返送配管
３０…酸化剤ガス給排系
３２…酸化剤ガス供給配管
３２ａ…上流側配管
３２ｂ…下流側配管
３２ｃ…第１の配管
３２ｄ…第２の配管
３３…酸化剤ガス排出配管
３３ａ…上流側配管
３３ｂ…下流側配管
３３ｃ…第３の配管
３３ｄ…第４の配管
３４…配管
３６…エアコンプレッサ
３７…希釈器
３８…マフラ
４０…冷却水系
４２…冷却水配管
４４…ラジエータ
４５…負荷接続部
４６…循環ポンプ
４８…負荷接続部
５２，６０…排出ガス返送配管
７４…第１のバイパス配管
７６…第２のバイパス配管
８０…第３のバイパス配管
１００…燃料電池システム
１００ａ…燃料電池システム
１１０，１１０ａ，１２０，１２０ａ，１３０，１３０ａ，１４０…燃料電池システム
２００…二次電池
２１０…外部直流電源
３００…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４００…インバータ
４１０…モータ
５００…制御部
５０２…ＣＰＵ
５０８…インタフェース
Ｖ１…遮断弁
Ｐ１…圧力センサ
Ｄ１…水素濃度計
Ｔ１…温度センサ
Ｖ２…調圧バルブ
Ｐ２…圧力センサ
Ｄ２…水素濃度計
Ｖ３…排気弁
Ｄ３…酸素濃度計
Ｖ４…弁
Ｖ５…三方弁
Ｖ８…弁
Ｖ１０，Ｖ１２，Ｖ２０…三方弁
Ｖ２２…弁
Ｖ１４…弁
Ｖ１６…アノード出口弁
Ｖ１８…リリーフ弁
ＶＭ１…電圧センサ
【図１】
2011042932.tif 000003
【図２】
2011042932.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2011042932.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
2011042932.tif 000017
【図１６】
2011042932.tif 000018
【図１７】
2011042932.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年4月8日(2011.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（削除）
【請求項２】
燃料電池システムであって、
電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する第１の燃料電池であって、前記アノードに燃料ガスとしての水素が供給され、前記カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給されることで発電を行う第１の燃料電池と、
前記カソードに前記燃料ガスを含む第１のガスを供給する第１のガス供給機構と、
当該燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
当該燃料電池システムのシステム停止時の停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって前記カソードに前記第１のガスを供給させ、
前記アノードと前記カソードに残留する窒素と燃料ガスについて、前記アノードと前記カソード間のガス成分毎の分圧の差がそれぞれ所定値以下となる第２の場合に、前記第１のガス供給機構に前記第１のガスの供給を停止させる、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記アノードへの燃料ガスの供給及び排出を行うアノードガス給排系と、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記カソードへの酸化剤ガスの供給及び排出を行うカソードガス給排系と、を備え、
前記第１のガス供給機構は、
前記第１の燃料電池に所定の電圧を印加する第１の電源部を有し、
前記制御部は、
前記停止前処理として、前記カソードガス給排系による前記酸化剤ガスの前記カソードへの供給を停止させた後に、
前記アノードガス給排系による前記燃料ガスの前記アノードへの供給を継続させた状態で、前記第１の電源部によって前記燃料電池に所定の電圧を印加させることで、前記第１のガスとしての前記燃料ガスを前記第１のガス供給機構により前記カソードに供給させる、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記カソードに残留する酸素の濃度を前記停止処理前の状態よりも低下させる第１の運転モードを備え、
前記制御部は、
前記第１のガス供給機構によって前記カソードに前記第１のガスを供給させる前に、第１の運転モードによって、前記カソードに残留する酸素の濃度を、前記停止前処理を開始する前よりも低い所定の状態とする、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記第１のガス供給機構による前記カソードへの前記第１のガスの供給は、前記制御部が前記第１の燃料電池に対し、通常発電時に前記カソードに供給される酸化剤ガスのストイキ比よりも小さいストイキ比によって発電を行わせることで行う、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の燃料電池の発電部の温度に関する値を検出する温度検出部を備え、
前記制御部は、
前記温度検出部に基づく前記第１の燃料電池の発電部の温度が０℃より高い場合は、前記停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって前記第１のガスを前記カソードに供給させ、
前記温度検出部に基づく前記発電部の温度が０℃以下である場合は、前記第１のガス供給機構によって前記第１のガスを前記カソードに供給させることなく当該燃料電池システムを停止させる、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記第１のガス供給機構は、さらに、
前記停止前処理の処理中に前記カソードから排出される第１の排ガスのうちの少なくとも一部を第１のガスとして前記カソードに再び供給する第１のガス循環機構を備える、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記第１のガス循環機構は、さらに、
前記第１の排ガス中から燃料ガスを分離する燃料ガス分離機構を有し、
前記第１のガス循環機構により前記カソードに供給されるガスは、前記燃料ガス分離機構によって分離された燃料ガスである、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス分離機構は、さらに、
電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する第２の燃料電池と、
前記第２の燃料電池に所定の電圧を印加する第２の電源部と、を有し、
前記制御部は、
前記第２の電源部によって前記第２の燃料電池に所定の電圧を印加させることで、前記第２の燃料電池によって前記第１の排ガスに含まれる燃料ガスを分離させる、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記第１のガス供給機構は、さらに、
前記第１のガスを前記アノードに供給するアノード供給機構を有し、
前記制御部は、
前記停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって、前記カソードに加え前記アノードに対しても前記第１のガスを供給させる、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
前記第１のガス供給機構は、さらに、
前記アノード及び前記カソードに供給された前記第１のガスのうち、前記カソード及び前記アノードから排出された排ガスを混合し、再び前記第１のガスとして前記アノード及び前記カソードに供給する排ガス循環機構を有する、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記アノードへの燃料ガスの供給及び排出を行うアノードガス給排系と、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記カソードへの酸化剤ガスの供給及び排出を行うカソードガス給排系と、を備え、
前記第１のガスは、
前記制御部が前記アノード給排系及び前記カソード給排系による燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止させた後に、前記アノード給排系及び前記カソード給排系に残留するガスを混合させた混合ガスである、
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードの電極電位を前記停止処理前の状態よりも低下させる電位処理機構を備え、
前記制御部は、
前記第１のガス供給機構によって、前記アノード及び前記カソードに前記第１のガスを供給させる前に、前記電位処理機構によって、前記カソードの電極電位が前記停止前処理を行う前よりも低い所定の状態となるように処理させる、
燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池システムであって、
前記電位処理機構は、さらに、
前記アノード給排系に残留するアノード残留ガスを、前記カソードに供給するアノード残留ガス供給機構を有し、
前記制御部は、
前記アノード残留ガス供給機構によって、前記アノード残留ガスを前記カソードに供給させ、前記カソードに残留する酸素を前記カソードの外部に排出させることで前記所定の状態となるように処理させる、
燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記アノードへの燃料ガスの供給及び排出を行うアノードガス給排系と、
前記第１の燃料電池の通常発電時に、前記カソードへの酸化剤ガスの供給及び排出を行うカソードガス給排系と、
前記アノード給排系のガスの圧力を調整する圧力調整部と、を備え、
前記第１のガス供給機構は、
前記アノードガス給排系と前記カソードガス給排系とを連通させるバイバス流路と、
前記バイパス流路に設けられた第１の機構であって、前記パイパス流路のうち前記アノードガス給排系側の圧力が所定値以上となった場合に前記バイバス流路を連通状態とし、前記アノードガス給排系側の圧力が所定値未満となった場合に前記バイパス流路を非連通状態とする第１の機構と、を有し、
前記第１のガス供給機構による前記カソードへの前記第１のガスの供給は、前記制御部が、前記アノードガス給排系による燃料ガスの供給を継続させた状態で、前記カソードガス給排系による前記カソードへの前記酸化剤ガスの供給を停止させると共に、
前記圧力調整部によって前記燃料ガス給排系が所定値以上の圧力になるように設定させて、前記バイパス流路を前記連通状態とし、前記第１のガスとしての燃料ガスを前記バイパス流路から前記カソードガス給排系に導入することで行う、
燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池システムであって、
前記第１の機構はリリーフ弁である、
燃料電池システム。
【請求項１７】
（削除）
【請求項１８】
電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する燃料電池であって、前記アノードに燃料ガスとしての水素が供給され、前記カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給されることで発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムを停止するための方法において、
前記カソードに燃料ガスを含む第１のガスを供給し、
前記アノードと前記カソードに残留する窒素と燃料ガスの各ガス成分について、前記アノードと前記カソード間のガス成分毎の分圧差が、それぞれ所定値以下となった後に、第１のガスの供給を停止させる、
燃料電池システムの停止方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
あった。これにより、カソード構成部材が酸化する場合があった。
［０００６］
本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、燃料電池システムのシステム停止後にカソード構成部材が酸化することを抑制する技術を提供する。
課題を解決するための手段
［０００７］
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［０００８］
［適用例１］燃料電池システムであって、電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する第１の燃料電池と、前記カソードに燃料ガスを含む第１のガスを供給する第１のガス供給機構と、当該燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、当該燃料電池システムのシステム停止時の停止前処理として、前記第１のガス供給機構によって前記カソードに前記第１のガスを供給させ、前記アノードと前記カソードに残留するガスのうち、少なくとも燃料ガスの分圧の差が所定値以下となる第１の場合に、前記第１のガス供給機構に前記第１のガスの供給を停止させる、燃料電池システム。
適用例１の燃料電池システムによれば、第１の場合に、第１のガスの供給を停止させるため、システム停止後において、アノードとカソード（以下、「両極」ともいう。）との間の燃料ガスの分圧差を駆動力とする燃料ガスの電解質膜の透過を抑制することができる。これにより、カソードの全圧の変動幅を低減でき、燃料電池の外部からカソードに空気が混入することを抑制することができる。よって、システム停止後におけるカソード構成部材の酸化を抑制することができる。なお、アノード及びカソードに残留するガス成分が燃料ガスのみである場合、ここでいう分圧は、全圧を意味するものとする。
［０００９］
［適用例２］燃料電池システムであって、電解質膜を挟んでアノードとカソードとを有する第１の燃料電池であって、前記アノードに燃料ガスとしての水素が供給され、前記カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給されることで発電を行う第１の燃料電池と、前記カソードに前記燃料ガスを含む第１のガスを供給する第１のガス供給機構と、当該燃料電池システムの動作を制御す
【国際調査報告】
2011042932.tif 000026
2011042932.tif 000027
2011042932.tif 000028
2011042932.tif 000029